Spostati nel corso dei secoli al Museo dell'Opera del Duomo capolavori come le statue della facciata di Arnolfo, le Cantorie di Donatello e Luca della Robbia per le sacrestie e la Pietà di Michelangelo, restano da ammirare all'interno del Duomo le lunette robbiane delle sacrestie, la tomba del vescovo Antonio d'Orso, il busto di Squarcialupi e l'Urna di San Zanobi.

La tomba del vescovo d'Orso, posta in alto sulla controfacciata, è una delle creazioni più riuscite di Tino di Camaino, artista senese discepolo di Giovanni Pisano. Eseguito nel 1321, il monumento raffigura il vescovo caro ai fiorentini per averli difesi durante l'assedio posto alla città dall'imperatore Arrigo VII (1312), esaltato da Dante come un liberatore, nel bel mezzo delle lotte fra guelfi Bianchi e Neri. Particolare l'atteggiamento del prelato, raffigurato seduto ma in posizione di abbandono, con la testa reclinata e gli occhi chiusi, come un morto esposto sul trono. Al di sotto, il sarcofago di ispirazione classica poggiato su una grande mensola a due arcate. Al monumento mancano alcune parti, smontate nel corso dei secoli: qualche "pezzo" è finito al Bargello, altri venduti a musei e collezioni stranieri. Poco lontano, lungo la navata sinistra, il busto di Antonio Squarcialupi, opera di Benedetto da Maiano (1490). Il celebre organista è qui celebrato anche da un epitaffio scritto da Agnolo Poliziano. Negli scavi di Santa Reparata è venuta alla luce la sepoltura di un suo avo, Niccolò Squarcialupi, morto nel 1313: personaggio di rango elevato se la sua tomba trovò posto nella maggiore basilica cittadina.

Nella cappella centrale dell'abside maggiore è infine l'Arca di San Zanobi, vescovo e patrono di Firenze insieme a San Giovanni Battista, morto nel 429, sepolto in San Lorenzo e trasferito nel IX secolo nella nuova cattedrale. Per realizzare un'opera degna di contenere le sue spoglie ci si rivolse a Lorenzo Ghiberti, all'epoca impegnato nella Porta del Paradiso del Battistero. Anche qui l'artista mostra tutta la sua abilità di scultore e orafo: l'urna, fusa in bronzo, raffigura magistralmente scene della vita del Santo, ricorrendo all'espediente tardo-gotico di narrare contemporaneamente momenti diversi di uno stesso episodio.

Trasferiti altrove (per lo più al Museo dell'Opera del Duomo) anche i bassorilievi e le sculture che un tempo completavano la balaustra del coro. La grande recinzione, realizzata da Baccio Bandinelli fra il 1547 e il 1572 su disegno di Giovanni di Baccio d'Agnolo e poi smontata nel 1842, costituiva uno degli apporti del giovane duca Cosimo I de' Medici all'arricchimento del Duomo e rispettava nella sua iconografia i nuovi dettami "politici" della Chiesa emersi dal Concilio di Trento, gli stessi esaltati poi anche nel Giudizio Universale affrescato nella cupola.

All'esterno sono da ammirare invece le sculture della Porta dei Canonici (opera di Lorenzo di Giovanni d'Ambrogio alla fine del XIV secolo continuata da Piero di Giovanni Tedesco) e soprattutto quelle della Porta della Mandorla (al lato opposto, quello nord).

Decorata in tre fasi fra il 1391 e il 1422, la porta presenta un piccolo campionario della scultura fiorentina fra gotico e Rinascimento. Si va infatti da artisti come Niccolò di Piero

Lamberti, maestro aretino residente a Firenze fin dal 1388, che ci offre nel portale una inaspettata Venere nuda ispirata a Prassitele, a Nanni di Banco che ci presenta il suo capolavoro nel bassorilievo con l'Assunzione della Vergine (1414-1422) a cui collaborarono i giovani Donatello e Luca della Robbia.

A Donatello appartengono anche alcune parti del coronamento della porta e le statuette dei Profeti. Il mosaico centrale con l'Annunciazione è di Domenico Ghirlandaio (1491) e sostituisce un rilievo con lo stesso soggetto eseguito da Jacopo della Quercia (1404-1409). Il rilievo è esposto al Museo dell'Opera del Duomo.