La fachada original, diseñada por Arnolfo di Cambio y normalmente atribuida su construcción a Giotto, fue de hecho comenzada veinte años después de la muerte de Giotto. Un dibujo a pluma y tinta de mediados del siglo XV de la llamada fachada de Giotto se conserva en el Codex Rustici, así como el dibujo de Bernardino Poccetti de 1587, ambos exhibidos en el Museo de la Opera del Duomo. Esta primera fachada se debe al esfuerzo colectivo de varios artistas, entre ellos Andrea Orcagna y Taddeo Gaddi, y fue solo completada en su parte baja, después fue abandonada. En 1587-1588 el arquitecto de corte de los Médici, Bernardo Buontalenti, la demolió por orden del Gran Duque Francisco I de Médicis, ya que parecía no estar de moda en los tiempos del Renacimiento. Algunas de las esculturas originales se muestran en el Museo de la Ópera del Duomo, detrás de la catedral. Otras están ahora en el Museo de Berlín y en el Louvre. El concurso para una nueva fachada terminó con un gran escándalo de corrupción. El diseño de la fachada, en madera, de Buontalenti, está expuesto en el Museo de la Ópera del Duomo. Varios diseños nuevos fueron propuestos en años posteriores, pero los modelos (de Giovanni Antonio Dosio, Giovanni de Médici con Alessandro Pieroni y Giambologna) no fueron aceptados. La fachada se dejó, por tanto, descubierta hasta el siglo XIX.
En 1864 se abrió un concurso para diseñar una fachada nueva y resultó ganador Emilio De Fabris (1808-1883) en 1871. El trabajo comenzó en 1876 y se terminó en 1887. Esta fachada neogótica en mármoles blancos, verdes y rosas forma una unidad en armonía con la catedral, el campanario de Giotto y el baptisterio.
La fachada entera está dedicada a María, madre de Cristo y patrona de la catedral.
La construcción de las tres puertas de bronce se llevó a cabo de 1899 a 1903. Están adornadas con escenas de la vida de la Virgen. Los mosaicos de los tímpanos de las puertas fueron diseñados por Niccoló Barabino. Representan (de izquierda a derecha): La Caridad entre los fundadores de instituciones filantrópicas florentinas, Cristo en el trono con María y Juan Bautista; Artesanos florentinos y Mercaderes y humanistas rindiendo homenaje a la Fe. El frontispicio encima del portal central contiene un medio relieve de Tito Sarrocchi y representa a María entronizada empuñando un cetro floreado.
Encima de la fachada se abren una serie de nichos con los doce Apóstoles y, en el centro, la Virgen con el Niño. Entre el rosetón y el tímpano, hay una galería con los bustos de grandes artistas florentinos.
