Numerose le sculture che ornano la piazza. Oltre a quelle raccolte sotto la Loggia dei Lanzi, si notavano un tempo quelle schierate lungo la facciata di Palazzo Vecchio e collocate sull'Aringhiera. Questa era una specie di ballatoio per oratori che si alzava davanti all'ingresso: costruita nel 1323 e poi distrutta nell'Ottocento, l'Aringhiera è ben visibile in un affresco della Sala di Leone X in Palazzo Vecchio.
Sulla facciata, accanto al mediocre Ercole e Caco in marmo di Baccio Bandinelli (1534) che è ancora al suo posto, si trovavano in origine tre geniali creazioni passate per vari motivi alla storia: il David (1501-4) di Michelangelo, il Marzocco (1418) e la Giuditta e Oloferne (1455-60) di Donatello.

Tutte e tre sono state oggi sostituite da copie e gli originali si trovano rispettivamente al Museo dell'Accademia (fin dal 1873), al Museo del Bargello (dal 1885) e nella Sala dei Gigli di Palazzo Vecchio. E' giusto però averne mantenuto qui il ricordo attraverso le copie in quanto si tratta di opere-simbolo della Repubblica fiorentina: il Marzocco perchè è tra i suoi emblemi più antichi, la Giuditta e il David per le implicite allusioni alla libertà e alle virtù civili che tali soggetti contengono. Queste ultime due opere, inoltre, testimoniano momenti storici precisi. La Giuditta si collega alla cacciata dei Medici (1494) dopo la morte di Lorenzo il Magnifico (la statua fu trasportata qui dal Palazzo Medici di via Larga dopo il saccheggio), il David esalta la lotta della Seconda Repubblica fiorentina (1494-1512) contro due "Golia": il re di Francia Carlo VIII e il papa Alessandro VI Borgia.

Sull'angolo di Palazzo Vecchio si alza poi l'enorme mole della Fontana di Nettuno (1565-75), scolpita in marmo da Bartolomeo Ammannati con Tritoni e Naiadi in bronzo del Giambologna. Eretta in occasione delle nozze di Francesco de' Medici (erede di Cosimo I) con Giovanna d'Austria, la Fontana di Nettuno è ricca di significati allegorici ma non possiede una grande potenza espressiva e la sua parte migliore sono i bronzi di Giambologna. L'arguzia dei fiorentini, che subito ribattezzarono il Nettuno "Biancone", coniò anche la frase "Ammannato Ammannato, quanto marmo hai sciupato".

Poco oltre, domina il lato nord della piazza la statua equestre di Cosimo I de' Medici, fusa in bronzo dal Giambologna per volere di Ferdinando I. Commissionata nel 1587, l'opera necessitò la costruzione di una apposita fonderia. Nel 1591 era pronto il cavallo, fuso in un unico pezzo dai bravi artiglieri del sovrano, nel 1594 si completarono la figura di Cosimo e il piedistallo con tre bassorilievi che ricordavano i momenti salienti della sua vita: l'elezione a duca (1537), la conquista di Siena (1555) e il conferimento del titolo di Granduca (1569).

La statua ebbe subito una tale fama che dallo stesso calco sarebbe stato tratto anche il cavallo per l'analogo monumento di Enrico IV di Borbone voluto dalla vedova, la regina Maria de' Medici.