Nella piazza in cui si erge il Duomo, denominata nei documenti medievali Piano Sancte Marie, sorgeva già nel X secolo una piccola chiesa, collocata accanto alla dimora del Vescovo e orientata in maniera opposta rispetto a quella attuale, con la facciata che guardava in direzione dell’odierna abside.
Durante il XII secolo la chiesa fu inglobata in un edificio più grande, ruotato di novanta gradi rispetto al precedente (rivolto verso la piazza oggi intitolata a Jacopo della Quercia), fino a quando, nel corso dei primi decenni del Duecento, si dette inizio alla nuova trasformazione che porterà alla basilica attuale, con la facciata definitivamente orientata verso lo Spedale di Santa Maria della Scala.
Da alcuni documenti di pagamento apprendiamo che nel 1263 era già stata portata a compimento la cupola, coperta con lastre di piombo e sormontata da una sfera in rame dorato, detta comunemente ‘mela’; la lanterna che la sostiene è invece un rifacimento di epoca seicentesca.
Entro il 1284 vennero edificate le navate e si cominciò la costruzione della facciata, sotto la guida di Giovanni Pisano, che vi lavorò fino al 1297, realizzandone la parte inferiore. Dopo il suo allontanamento da Siena, l’impresa venne conclusa un ventennio più tardi da Camaino di Crescentino, subentrato a Giovanni come capomastro del Duomo. Nel frattempo, sui resti di una torre del castello fortificato che dominava la piazza durante l’Alto Medioevo, era stato innalzato il campanile, anch’esso rivestito, come il resto dell’edificio, da fasce alternate in marmo bianco e nero (o meglio verde scuro), secondo il gusto tipico del romanico toscano.
Verso la fine del secondo decennio del Trecento, iniziarono i lavori di ampliamento del coro e del transetto, fino a che, nel 1339, nel momento di massimo splendore della città, si cominciò a dar vita ad un progetto ambiziosissimo, che prevedeva la costruzione di un nuovo tempio di gigantesche proporzioni, di cui quello attuale sarebbe divenuto il transetto. Nemmeno un decennio più tardi, nel 1348, la terribile epidemia di peste nera unita ad alcuni crolli strutturali posero fine al sogno dei senesi. Di quell’impresa rimane ancora oggi memoria nelle strutture incompiute che delimitano la Piazza Jacopo della Quercia: l’imponente facciata, detta volgarmente ‘facciatone’, e i pilastri sormontati da arcate che avrebbero diviso la navata centrale da quelle laterali; sul fianco destro si apre un raffinatissimo portale, che doveva essere l’ingresso laterale del nuovo Duomo, mirabilmente ornato dalle sculture di Giovanni d’Agostino.
Dopo il fallimento del progetto, ripresero i lavori nel vecchio edificio e nel 1370 la Cattedrale poteva dirsi conclusa.