Il rosone è costituito da un'armatura di colonnine e capitelli, membrature e motivi ornamentali disposti in doppio giro attorno alla testa del Redentore, che ne rappresenta il centro.
Eseguito tra il 1354 e il 1380 e tradizionalmente attribuito al fiorentino Andrea di Cione, detto l'Orcagna, ma forse iniziata da Andrea Pisano (1347-1348), la rosa è iscritta in due cornici quadrate, di cui l'esterna è suddivisa in formelle quadrilobe contenenti cinquantadue testine a rilievo.
Gli angoli compresi tra il cerchio e il primo riquadro sono ornati da mosaici, eseguiti da Piero di Puccio nel 1388 e molto restaurati raffiguranti i quattro Dottori della Chiesa (S. Agostino, S. Gregorio Magno, S. Girolamo, S. Ambrogio).
A contornare il rosone, sempre nel '300, furono realizzate sei nicchie binate per lato, opera di Petruccio di Benedetto da Orvieto (1372-88), all'interno delle quali furono inserite le statue di marmo dei Dodici Profeti.