Собор имеет в плане форму латинского креста, его наружный декор выполнен в великолепном инкрустационном стиле из разных сортов мрамора. Колонны и пилястры, украшающие его стены с прямоугольными панно из белого и зеленого мрамора, облицованы белым мрамором, обрамление окон, арок и поясков ярусов – розовым мрамором. Прямоугольные контрфорсы членят фасад на три части, каждую заполняет полукруглый портал с треугольным фронтоном и розетка внутри круглой ниши. В нишах контрфорсов и под карнизом установлены скульптуры. Треугольный фронтон над центральной частью фасада размыкается большим окном-розеткой. Высокий кирпичный купол, состоящий из 8 радиальных секций, связанных белыми ребрами, покоится на восьмигранном барабане с круглыми окнами, отделанными зеленым мрамором. К восьмигранной алтарной апсиде пристроены два придела, завершающиеся небольшими куполами, под которыми проходит открытая галерея с балюстрадой. Интерьер собора выглядит значительно более бледным, чем его наружное убранство. Три нефа собора разделены широкими стрельчатыми арками, а купол расписан фресками.
Древний восьмигранный Баптистерий был построен в 8 в. в романском стиле на месте языческого храма. Позднее перестраивавшийся, он был предназначен специально для крещения, так как некрещеным запрещалось входить в собор, стоящий по соседству. Это одно из старейших зданий города, славящееся своими великолепными бронзовыми позолоченными дверями с барельефами, являющимися впечатляющими произведениями средневекового искусства. Трехъярусное здание под остроконечной крышей облицовано, как и соседний собор, белым и зеленым мрамором, углы восьмигранника выделены рустованными пилястрами, полуколонны из зеленого мрамора делят каждую грань на три части, завершающиеся полукруглыми арками с расположенным в них окном с треугольным фронтоном. В интерьере баптистерия особенно интересны установленные в нижнем ярусе стен свободно стоящие колонны из порфира, следующие ордерным классическим традициям, они явились предвестником скорого наступления ренессанса.
Башню-колокольню собора, усиленную восьмигранными угловыми контрфорсами, спроектировал и начал строить в 1334 г. великий Джотто, а завершил после его смерти Таленти в 1354 г. Ее стены декорированы филенками из белого мрамора, помещенными в темные рамы. Два нижних яруса, построенных Джотто, украшены барельефами в медальонах, обрамленных красным мрамором, и мраморными инкрустациями. Они представляют аллегории искусств, ремесел и добродетелей человека, планеты, главные добродетели и семь церковных таинств.