La facciata marmorea di Santa Maria Novella è fra le opere più importanti del Rinascimento fiorentino, pur essendo iniziata in periodi precedenti e venendo completata definitivamente solo nel 1920.

Il primo intervento si ebbe nel 1350 quando la sezione fu ricoperta di marmi bianchi e verdi grazie ai fondi lasciati da un tale Turino del fu Baldese deceduto un anno prima. In quella circostanza furono fatti i sei avelli o arche tombali, i due portali laterali gotici e l'ornamentazione marmorea a riquadri e archetti, fino al primo cornicione. La vetrata dell'occhio fu realizzata intorno al 1365. Al centro campeggia l'Incoronazione della Vergine con schiere d'angeli danzanti, mentre nella cornice esterna sono raffigurati i Profeti.

Tra 1458 e 1470 fu rivestita la parte restante, su disegno di Leon Battista Alberti, su incarico di Giovanni Rucellai e l'iscrizione sul frontone del timpano ricorda l'anno del compimento ed il benefattore: IOHA(N)NES ORICELLARIUS PAV(LI) F(ILIUS) AN(NO) SAL(VTIS) MCCCCLXX (Giovanni Rucellai, figlio di Paolo, anno 1470). Inoltre l'elegante fregio araldico marmoreo della "vela con sartie al vento", altro non è che il simbolo della famiglia Rucellai, anch'esso inserito sulla facciata nella banda orizzontale del fregio fra la parte inferiore e quella superiore. Lo stesso simbolo si può vedere anche sulla facciata del palazzo e della loggia Rucellai, nonché sul Tempietto del Santo Sepolcro in San Pancrazio.

L'Alberti, dovendosi innestare sulle strutture gotiche, realizzò il portale centrale e la parte superiore della facciata, armonizzando gli elementi preesistenti con quelli rinascimentali, per esempio grazie alla creazione dell'alta fascia con la serie di figure quadrate, che maschera alcune contraddizioni della struttura (come la mancata corrispondenza fra lesene superiori e inferiori, per via della preesistenza del rosone). Le incrostazioni bicrome a tarsia si ispirano al romanico fiorentino, in particolare alla Basilica di San Miniato al Monte. Per raccordare la navata maggiore con quelle laterali, notevolmente più basse, l'Alberti ideò le due volute capovolte (quella di destra fu rivestita di marmi solo nel 1920).

Il segreto della bellezza delle facciata sta comunque nella sottile rete di rapporti modulari che l'Alberti studiò razionalmente con calcoli matematici per stabilire le proporzioni tra i vari elementi. Alcuni dei rapporti modulari principali: la linea di base della chiesa è uguale all'altezza della facciata, con la quale forma un quadrato; se la parte inferiore è esattamente la metà di questo quadrato, quella superiore è un quarto posto centralmente; dividendo ancora in quattro si ottengono dei sedicesimi di superficie che inscrivono con precisione le volute laterali; il portale centrale è alto una volta e mezzo la sua larghezza (rapporto di 2/3); l'altezza della fascia centrale a cerniera è uguale alla larghezza dei portali laterali e degli avelli, ed è sette volte l'altezza dell'ordine inferiore; i lati dei quadrati intarsiati sulla fascia centrale sono un terzo dell'altezza della fascia stessa ed il doppio del diametro delle colonne della parte inferiore. Il Sol Invictus rappresentato sul timpano è lo stemma del quartiere di Santa Maria Novella, ma anche un simbolo di forza e ragione; il diametro del tondo del Sole è esattamente la metà del diametro del rosone (compresa la cornice) ed è uguale a quello dei cerchi nelle volute.

Molte altre sono le corrispondenze, ed è proprio questa ricerca progettuale dell'Alberti per l'applicazione di principi teorico-razionali a discostarsi definitivamente dal modo di procedere dell'artista-artigiano medievale, rendendo di Santa Maria Novella come il primo esempio di "euritmia" classica (cioè di armoniosa disposizione degli elementi) del Rinascimento.

Le lunette sopra le porte furono dipinte da Ulisse Ciocchi tra il 1616 e il 1618. Quella centrale rappresenta San Tommaso d'Aquino in preghiera davanti al crocifisso (sullo sfondo la processione del Corpus Domini che ebbe inizio in Santa Maria Novella). Quelle laterali ritraggono due personaggi del vecchio testamento tradizionalmente legati all'allegoria eucaristica: Aronne con la manna, a destra, e Melchisedech con i pani, a sinistra.

Sulla facciata compaiono anche delle strumentazioni scientifiche, a sinistra un'armilla equinoziale in bronzo, a destra un quadrante astronomico in marmo, opere del domenicano fra Ignazio Danti da Perugia (1555-1586), astronomo e cartografo granducale. Il frate astronomo, grazie a queste strumentazioni, riuscì a calcolare esattamente la discrepanza fra il vero anno solare e il calendario giuliano, allora ancora in uso fin dalla sua promulgazione nel 46 d.c.. Dimostrando i suoi studi con una commissione di altri studiosi a Roma a papa Gregorio XIII si ottenne il riallineamento dei giorni e la promulgazione del nuovo calendario gregoriano, saltando in una notte del 1582 dal 4 ottobre al 15 ottobre.

La facciata è stata restaurata nel 1999 con i fondi per il giubileo e di nuovo dall'aprile 2006. Le uniche altre chiese a Firenze ad avere una facciata in marmi policromi originale sono San Miniato e San Salvatore al Vescovo, mentre le facciate del Duomo e di Santa Croce furono realizzate solo nell'Ottocento.