Sembra ormai appurato che anticamente esistesse una facciata rimasta incompiuta, progettata e in parte eseguita da Arnolfo di Cambio, pur se accresciuta e inglobata dall'opera dei capomastri successivi, anche se la questione è stata oggetto di forti controversie in passato.

Nel Museo dell'Opera del Duomo sono conservate numerose statue e frammenti, molte di altissima qualità e di chiara mano di Arnolfo che provengono probabilmente in massima parte da Santa Maria del Fiore. La decisione del Governo del Comune di Firenze di esentare Arnolfo dal pagamento di tributi per sé e per i suoi rimane un forte indizio dell'apprezzamento per i primi lavori per la nuova cattedrale: Magnifico et visibili principio. Poiché onori del genere erano tutt'altro che consueti nell'oculata amministrazione cittadina, bisognerà credere che si trattasse di costruzioni davvero impressionanti, per quanto solo abbozzate.

Secondo alcune testimonianze, la facciata presentava una fascia basamentale ad ornati cosmateschi e gli straordinari gruppi scultorei delle lunette dei portali sono così attribuibili, senza alcuna discussione, all'opera di Arnolfo. Restano i dubbi su quanta parte della facciata distrutta fosse da riferirsi al progetto originale, visto che le proporzioni della costruzione erano state nel frattempo radicalmente alterate. Secondo la ricostruzione proposta nel 2005, in occasione di una esibizione temporanea all'Opera del Duomo, da Erica Neri e Silvia Moretti, la facciata sarebbe stata caratterizzata nei livelli portati a termine da grandi protiri pensili sovrastanti i tre portali, seguiti da un registro di bifore cuspidate, che simulavano una galleria aperta; mosaici in stile cosmatesco, una novità per Firenze, ma una costante dell'opera arnolfiana, che a Roma era stato in contatto con le famiglie dei marmorari romani, adornavano lo zoccolo basamentale tra i portali con fasce di false finestre (ritrovati in parte nel 1970 rimuovendo alcuni lastroni riutilizzati per il pavimento). Arnolfo impiantò una struttura su scala monumentale che culminava nella grandiosa decorazione statuaria delle grandi lunette che sovrastavano le entrate.

Nelle tre lunette raffigurò il ciclo mariano, già consolidato iconograficamente, che iniziava con la Nascita della Vergine a sinistra, seguito dalla Madonna in trono e santi nel portale centrale, dove figuravano i santi fiorentini come San Zanobi e Santa Reparata, infine la cosiddetta Dormitio Virginis, cioè il Compianto sulla Vergine nel momento della morte, raffigurata nell'atto di addormentarsi. Sui pilastri aggettanti erano stati collocate le statue di quattro profeti e degli apostoli. Nella galleria del secondo registro erano, invece, stati collocati (in epoca più tarda, circa nel 1390, quindi forse secondo un progetto diverso) i santi protettori di Firenze.

Le statue, in parte disperse, sono, comunque, conservate in larga parte nelle collezioni del Museo dell'Opera del Duomo. Arnolfo impiegò tutta la sua maestria tecnica nella realizzazione delle sculture, dando forte tridimensionalità ai rilievi pur impiegando lastre di spessore piuttosto contenuto. Concepite per essere osservate dal basso, creavano una sorta di effetto trompe l'oeil (effetto col quale in pittura si simulano decorazioni tridimensionali) , che è stato accostato agli effetti ricercati in alcuni affreschi opera di Giotto ed altri.