Dans les documents médiévaux, sur le “Piano Sancte Marie”, la place où se dresse la Cathédrale, au Xème siècle, se trouvait déjà une petite église située à côté de la demeure de l’Évêque; elle était orientée dans le sens opposé à la Cathédrale, avec la façade qui regardait en direction de l’abside actuelle.
Durant le XIIème siècle l’église est incorporée dans un édifice plus grand, tourné vers l’actuelle place Jacopo della Quercia, jusqu’à ce qu’au début du XIIIème siècle commencent les travaux de la nouvelle cathédrale avec la façade définitivement orientée vers l’Hôpital de Santa Maria della Scala.
Nous apprenons par d’anciennes factures que la coupole était déjà terminée en 1263; elle est couverte de plaques de plomb et surmontée d’une sphère en cuivre doré que l’on appelle communément la “pomme”; la lanterne qui la soutient est due à un remaniement du XVIIème siècle
Les nefs sont achevées en 1284 et commence alors la construction de la façade sous la direction de Giovanni Pisano qui y travaille jusqu’en 1297, réalisant la partie inférieure. Après son départ de Sienne, Camaino di Crescentino prend sa place en tant que maître maçon du Duomo, et finit les travaux une vingtaine d’années plus tard. Entre temps, le clocher a été élevé sur les ruines d’une tour du Château fortifié qui dominait la place durant le Haut moyen-âge; il est recouvert, comme le reste de l’édifice d’une alternance de marbre blanc et noir (ou plutôt vert sombre), selon le style roman toscan.
Vers la fin des années 1320, commencent les travaux d’agrandissement du chœur et du transept jusqu’à ce qu’en 1339, au moment de l’apogée de la ville, prenne forme un projet très ambitieux qui prévoyait la construction d’un nouveau lieu de culte aux proportions gigantesques, dont l’église d’alors serait devenue le transept. A peine dix ans plus tard, en 1348, la terrible épidémie de peste noire et quelques effondrements de la structure mettent fin au rêve des Siennois. On peut voir les signes concrets de cette entreprise gigantesque dans les arcs incomplets qui délimitent la place Jacopo della Quercia : la façade imposante que les Siennois appellent communément le “facciatone” (la grosse façade) et les pilastres surmontés d’arcs qui auraient séparé la nef centrale des bas-côtés; sur le côté droit s’ouvre un portail raffiné qui devait être l’entrée latérale du nouveau Duomo, orné de façon admirable de sculptures de Giovanni d’Agostino.
Après l’échec du grand projet, les travaux reprennent dans le vieil édifice, et en 1370, on peut dire que la Cathédrale est terminée.