Extérieur
La façade présente des marbres blanc, vert et rouge, et les trois portails à décors sculptés très fins sur les colonnes et les architraves.
Le parvis accessible par un escalier à volée de marches qui donnera son nom à l'hôpital qui lui fait face Santa Maria della Scala.
Les trois mosaïques dorées récentes des pinacles, la Presentazione di Maria al Tempio (Présentation de Marie au temple), L'Incoronazione della Vergine (Couronnement de la Vierge) et La Natività di Gesù (Nativité de Jésus), exécutées à Venise en 1878 sur les cartons d'Alessandro Franchi1.
Au sommet des escaliers menant à l'entrée, se trouve deux colonnes ornées de la louve de Sienne.
L'intérieur de la cathédrale est célèbre par son utilisation du marbre vert foncé et blanc et par son pavement. Il contient également nombre d’œuvres importantes.
La nef de 89,40 m de long est caractérisée par des piliers formées de bandes alternées de marbre blanc et vert foncé, soutenant des arches en plein cintre.
Entre les colonnes au-dessus des cintres, 171 bustes en stuc représentent les papes.
Le vitrail circulaire du chœur date de 1288 et représente les Évangélistes, les saints patrons de Sienne, la Mort, l'Assomption et le Couronnement de la Vierge.
Le vitrail de la façade, également circulaire date de 1549 et représente la Cène.
Les huit anges porte-candélabres en bronze de Domenico Beccafumi.
Le dôme a été construit entre 1215 et 1270.
Outre les sculptures, de nombreux tableaux ont orné la cathédrale. Parmi les œuvres importantes, mentionnons :
L'Annonciation de Simone Martini
La Présentation au Temple d'Ambrogio Lorenzetti
La Vierge des Neiges de Sassetta
La Maestà de Duccio di Buoninsegna
Chapelle du Vœu
La chapelle Chigi (1661) est consacrée à la Vierge du Vœu à l'instigation du pape Alexandre VII de la famille Chigi. Le nom de la chapelle évoque le vœu fait par les Siennois à la veille de la bataille de Montaperti le 4 septembre 1260 et qui consacra la ville à la Vierge.
De forme circulaire et soutenue par huit colonnes sous une coupole dorée, la chapelle est fermée par une grille. À l'intérieur, quatre niches abritent des sculptures : Saint Bernardin d'Antonio Raggi, Sainte Catherine de Sienne d'Ercole Ferrata, Saint Jérôme et Sainte Marie-Madeleine de Bernini.
Derrière l'autel, des anges en bronze doré de Farrata encadrent le tableau de la Vierge du Vœu datant du xiiie siècle.
Chapelle San Giovanni
Cette chapelle est consacrée à saint Jean Baptiste. C'est là qu'est installé le Saint Jean Baptiste de Donatello. Sur les murs, des épisodes du saint ont été peints par Alberto Aringhieri, Francesco Rustici, Cesare Maccari et Pinturicchio. C'est également dans cette chapelle qu'on retrouve le puits sculpté par Antonio Federighi.
Le baptistère San Giovanni, situé sous l'abside, au niveau inférieur de la rue, en bas de l'escalier extérieur dit Scalinata di piazza San Giovanni permettant l'accès par la Piazza San Giovanni.
La crypte du Duomo (redécouverte en 2002), enfouie alors pour consolider la construction du pavimento se trouvant entre le sol de la cathédrale et le baptistère.
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