A Catedral de Siena tem duas fachadas. Uma delas está voltada para a arejada Praça da Catedral, um tumulto vertiginoso de decorações, mosaicos e esculturas. A segunda é a da catedral nunca construída, isolada do resto do edifício, na Praça Jacopo della Quercia: apelidada de "facciatone", é o que resta do projeto do século XIV destinado a utilizar a atual catedral como transepto para uma nova e muito maior catedral. A peste negra e o declínio da República de Siena forçaram o abandono do estaleiro e hoje a "facciatone" é uma varanda incomum onde se pode subir para admirar e quase tocar com um dedo a Torre del Mangia de um lado e o campanário branco e verde da Catedral do outro.
Entre os maiores exemplos de arquitetura românico-gótica em Itália, também no interior da Catedral de Siena se replica a decoração de mármore branco e verde, embelezada com uma quantidade de obras-primas impossíveis de enumerar. Excecional, em primeiro lugar, é o pavimento dividido em 56 painéis com cenas sagradas e profanas, que é descoberto e exibido apenas em ocasiões especiais. Entre os artistas que contribuíram para decorar a igreja estão Gian Lorenzo Bernini, Baldassarre Peruzzi, Nicola Pisano, Donatello e Pinturicchio.
Na parte de trás da Catedral, na Praça de São João, destaca-se uma terceira fachada: é a entrada do batistério que alberga uma pia batismal, uma obra-prima da escultura renascentista, emoldurada por um magnífico ciclo de frescos. Outros ciclos importantes de frescos decoram duas outras salas do complexo monumental da Catedral: a cripta e a Biblioteca Piccolomini, construída para abrigar a biblioteca do Papa Pio II.