La facciata di Santa Maria del Fiore è stata per secoli il grande problema irrisolto del complesso episcopale fiorentino; circondata da capolavori dell'architettura di tutti i tempi, tutti coperti di una veste smagliante di marmi multicolori, la facciata incompiuta in pietraforte spiccava in modo inaccettabile.

Fra il 1587-1588 il Granduca Francesco I ordinò all'architetto di corte Bernardo Buontalenti di rimuovere tutti i marmi e le sculture, coprire la martoriata facciata con un soprammattone su cui fosse eseguita una facciata dipinta, di gusto manierista, la quale giunse fino al XIX secolo. Nessuno dei progetti presentati all'epoca (oltre a quello del Buontalenti stesso, uno di Giovanni Antonio Dosio ed uno del Giambologna) fu accettato ed un concorso pubblico si risolse in un grande scandalo di corruzione. Intanto si avvicendavano facciate posticce provvisorie, erette in occasione di eventi speciali, come i matrimoni dinastici e altri festeggiamenti. Queste "opere temporanee" erano in genere in legno, tele dipinte e gesso.

Una nuova competizione si svolse nel 1864, per la quale pervennero a Firenze i più disparati progetti, da quelli di gusto neogotico d'oltralpe, a quelli più rispettosi dello stile italiano, ad altri di gusto pienamente eclettico tipico dell'epoca. Questi progetti si possono oggi vedere al Museo dell'Opera del Duomo. Il vincitore fu Emilio De Fabris (1808-1883) scelto nel 1871, con un progetto ispirato al gotico trecentesco, ma inevitabilemnte di maniera. I lavori iniziarono nel 1876 e furono completati nel 1887, con vari stralci polemici. Per esempio non si sapeva decidere su come eseguire il coronamento delle navate laterali: con un ballatoio piano, come nelle antiche basiliche, o con delle cuspidi come nel Duomo di Siena o in quello di Orvieto? Per dirimere la questione si arrivò addirittura erigere entrambe le versioni contemporaneamente, facendo decidere i fiorentini stessi con un referendum popolare. Della singolare facciata in opera, durante la fase dell'indecisione resta una fotografia d'epoca. Venne scelta la versione con il ballatoio, e nel 1887 la facciata completata poteva essere inaugurata.

L'infelice facciata a marmi policromi (definita, fra gli altri, da Enzo Carli "uno degli episodi tragici del cantiere della cattedrale") si armonizza cromaticamente con gli edifici vicini, campanile e battistero, ma tradisce la sua modernità nell'eccessivo zelo tipicamente ottocentesco, caratterizzato da una sovrabbondante presenza di decorazioni. Inoltre, rispetto ai fianchi della cattedrale, fu utilizzata una proporzione maggiore di marmo rosso di Siena, per motivi patriottici legati al tricolore della appena riunificata Italia.

Il tema dominante della decorazione è il tributo a Maria. Le tre grandi porte bronzee risalgono al periodo dal 1899 al 1903 e sono decorate con scene della vita della Madonna. Le lunette a mosaico sopra la porta furono disegnate da Niccolò Barabino e raffigurano (da sinistra): "La Carità fra i fondatori delle istituzioni filantropiche fiorentine", "Cristo in trono con Maria" e "San Giovanni Battista e Artigiani, mercanti e umanisti fiorentini rendono omaggio alla Vergine". Nel frontone sul portale centrale è stato collocato un bassorilievo di Tito Sarrocchi con "Maria in trono con uno scettro di fiori". Nella parte alta della facciata corre una serie di nicchie con i dodici apostoli e, nel mezzo, una Madonna con bambino. Fra il rosone e il timpano è stata realizzata una galleria di busti di fiorentini illustri.