La facciata è una straordinaria sintesi di architettura e arti decorative, la cui ossatura è costituita da quattro pilastri a fascio che si innalzano da uno zoccolo di robusti piloni e terminano in un coronamento di guglie.<br>Tre ricchissimi portali si aprono fra i piloni di base e, sopra di essi, tre cuspidi raggiungono una loggetta ad archi trilobi che divide orizzontalmente la facciata. La parte superiore è caratterizzata da uno splendido rosone e termina ripetendo il motivo delle tre cuspidi. Nel 1320-30 circa vengono realizzati i bassorilievi che ornano i quattro pilastri tra le porte.<br>Le imposte bronzee della porta centrale presentano rilievi di Emilio Greco. Sopra i pilastri, i simboli degli Evangelisti, statue in bronzo di Lorenzo Maitani. È opera dell'Orcagna lo splendido rosone a doppio giro di colonnine con archetti intrecciati, recanti al centro la testa del Redentore. Ai lati, le trecentesche statue marmoree dei dodici profeti, sormontate dalle statue in travertino degli apostoli, opera del Moschino, di Ippolito Scalza, di Vico Scalza, di Raffaello da Montelupo, di Fabiano Toti e altri (1556). Tutta la facciata è arricchita da mosaici che accompagnano gli elementi architettonici e segnano i profili delle rappresentazioni.<br>Prima di accedere all'interno, meritano uno 'sguardo' i fianchi in pietra bianca e nera: quello destro si apre nella porta di Postierla, magnifico portale ogivale di tipo pisano, probabilmente appartenuto alla scomparsa chiesa di S. Maria de Episcopatu sulla quale sorse il Duomo; il fianco sinistro è impreziosito dalla statua marmorea di Antonio Federighi, la Sibilla Eritrea, tra le migliori realizzazioni dell'artista toscano.<br>L'interno è di tipo basilicale, a tre navate divise da dieci colonne e due pilastri con ricchi capitelli, alcuni dei quali realizzati da Fra' Guglielmo da Pisa e da Ramo di Paganello. Entrando si percepiscono in tutta la loro grandiosità le forme romaniche del disegno primitivo, pervase da effetti grandiosi di luce filtrata dalle lastre di alabastro e dalla grande quadrifora absidale, ed esaltata dall'altissima navata mediana. Il pavimento, in calcare rosso di Prodo, elevandosi dalla facciata all'abside, dà l'illusione di una maggiore lunghezza della chiesa.<br>La cappella Nova o di S. Brizio è tra le più alte testimonianze della pittura italiana. Il ciclo di affreschi che la decora, realizzato in parte dal Beato Angelico (1447-49) e in parte da Luca Signorelli (1499-1504), assieme alla particolare concezione spaziale, fanno di questa cappella un «unicum» nell'arte italiana. Signorelli, infatti, la concepì non come una scatola, ma come una sfera in cui tutti i punti hanno lo stesso valore attorno al fulcro rappresentato dall'uomo spettatore.<br>Tra le due vele dipinte dal Beato Angelico e le sei del Signorelli vi è un grande divario dato dalla cura estrema per i dettagli del primo e la sintesi pittorica messa in atto dal Signorelli.<br>Il tema sviluppato è quello del Giudizio Universale, incorniciato da rappresentazioni di tipo architettonico.<br>Al centro del presbiterio domina un Crocifisso ligneo di scuola del Maitani; lungo le pareti, grandioso coro ligneo goticizzante, intagliato e intarsiato da Giovanni Ammannati da Siena (1331-40 circa).<br>Nella crociera, Pietà in marmo dello Scalza. Nel braccio sinistro della crociera si apre la cappella del Corporale (1350-55) che prende nome dal reliquiario del Corporale, capolavoro dell'oreficeria italiana che conteneva il sacro lino del miracolo di Bolsena.<br>Un recente restauro ha permesso di recuperare la cromia originaria della Madonna dei Raccomandati (1320), preziosa tavola di Lippo Memmi. Da segnalare, infine, all'inizio della navata sinistra, l'importante affresco di Gentile da Fabriano (1425), Maestà, restaurato nel 1989.