La facciata del Duomo come la vediamo oggi è l'unica parte decorativa non originale di tutta la piazza. Il rivestimento in marmi bianchi, verdi e rossi, le statue, i rosoni, i mosaici e le cuspidi di ispirazione gotica sono frutto del gusto storicistico romantico interpretato dall'architetto Emilio de Fabris (1808-1883), che realizzò il tutto negli anni 1876-1886 riuscendo a ideare, se non un capolavoro, almeno qualcosa che si integrava dignitosamente con i tre edifici del complesso sacro: la cattedrale, il Campanile di Giotto e il Battistero. Gli stemmi in basso ricordano le famiglie fiorentine che concorsero al finanziamento dei lavori. Ben più preziosa sarebbe risultata la facciata originariamente concepita da Arnolfo di Cambio e rimasta incompiuta alla sua morte (1302). Visibile nell'affresco della Madonna della Misericordia (1342) conservato nel Museo del Bigallo, la composizione arnolfiana è ancor più dettagliata in un disegno ad acquarello di Bernardino Poccetti conservato nel Museo dell'Opera del Duomo. Il disegno fu eseguito verso il 1587, al momento in cui si decise di "smontare" la facciata arnolfiana rimasta a metà per sostituirla con una più moderna. L'idea fu suggerita al granduca Medici dall'architetto di corte Bernardo Buontalenti, nell'ambito di un programma di rinnovamento della città già iniziato ai tempi del Vasari.

Il rivestimento gotico fu dunque demolito, alcune parti in marmo andarono a integrare la costruzione del nuovo pavimento all'interno di Santa Maria del Fiore, mentre le sculture furono per lo più ospitate nei locali dell'Opera del Duomo, poi adibiti a Museo. Le vediamo ancora oggi in una apposita sala al piano terreno.
Alla mano di Arnolfo appartengono cinque statue: quelle di San Zanobi e di Santa Reparata (vicinissima alla statuaria romana), la Madonna col Bambino (1296) dagli inconsueti occhi di vetro, la Madonna della Natività e l'interessante Bonifacio VIII, dalle forme solidamente costruite, in cui la parziale rigidità sembra sottolineare l'impressione di potenza e autorità del personaggio.

Le prime tre opere ornavano la lunetta del portale centrale imprimendo alla facciata gotica lo stesso tema di quella moderna: la glorificazione della Madre di Dio cui è dedicata la basilica. Sulla lunetta del portale sinistro stava inoltre la già citata Madonna della Natività, e su quello destro la Madonna deposta nella tomba, il cui originale arnolfiano è oggi nel Museo di Berlino. Al Louvre si trovano invece il San Lorenzo di Giovanni Tedesco (1394 circa) e il Santo Stefano di Piero di Giovanni Tedesco (1390 circa). I tre originali sono sostituiti da calchi.

Intorno al portale maggiore stavano poi le quattro nicchie con le statue in marmo degli Evangelisti, tutte eseguite fra il 1408 e il 1415. Si tratta del San Marco di Niccolò di Piero Lamberti, del San Matteo di Bernardo Ciuffagni, del San Luca di Nanni di Banco (solenne come un senatore romano) e del San Giovanni di Donatello, potente anticipatore del Mosè di Michelangelo nonchè primo capolavoro dell'artista. Commissionata nel 1408, la statua sarà pronta solo dopo otto anni e molti solleciti da parte dell'Opera del Duomo, che arriverà a minacciare Donatello di sanzioni economiche se non si deciderà a concluderla. La statua, che nella attuale collocazione nel museo sembra avere un torso troppo allungato e lo sguardo obliquo, è la prova della genialità del maestro: posta in alto sulla facciata avrebbe ritrovato le sue perfette proporzioni. Donatello, cioè, inventa una "correzione ottica" che permette alla figura di rendere il massimo quando lo spettatore la guarda dal basso.

Un'altra sala del Museo, quella degli Antifonari, contiene invece i vari modellini per la facciata che doveva sostituire quella di Arnolfo. Già nel 1491 era stato indetto il primo concorso per il suo completamento, ma la giuria rinviò la scelta non trovando convincente nessuno dei progetti presentati.

Ci riprovò nel 1586 il granduca Medici su istigazione del Buontalenti, che partecipò al concorso con un modellino ispirato al classico barocco e per fortuna non attuato. Alla competizione presero parte anche il Giambologna e don Giovanni de' Medici (1566-1621), figlio naturale di Cosimo I ed Eleonora degli Albizi e autore anche della Cappella dei Principi in San Lorenzo.

Nuovo concorso nel 1633, questa volta vinto dal progetto dell'Accademia di Belle Arti e affidato per l'esecuzione all'architetto dell'Opera, Gherardo Silvani: la prima pietra fu posata nel 1636 ma dopo due anni tutto fu sospeso per le feroci critiche al progetto dello stesso Silvani, che aveva presentato al concorso un suo modellino ma ne era uscito sconfitto. Nell'Ottocento, prima del de Fabris, avevano tentato l'impresa gli architetti Giovanni Silvestri (1822), Nicola Matas (1842), che già aveva realizzato la facciata di Santa Croce, e Gian Giorgio Muller (1843-44).