Άποψη του καθεδρικού της Σιένα

Λίγα είναι γνωστά για την ιστορία του ναού πριν τον Δεκέμβριο του 1226, οπότε και άρχισε η καταγραφή του κόστους και των συμβολαίων από τη Δημοκρατία της Σιένα.[1] Πιθανότατα δημιουργήθηκε πάνω σε προϋπάρχον κτίριο τον 12ο αιώνα. Σύμφωνα με την παράδοση ο ναός καθαγιάστηκε παρουσία του Πάπα Αλέξανδρο Γ΄ τις 18 Νοεμβρίου 1179.[2] Το 1196 οργανώθηκε μια επιτροπή πολιτών για την κατασκευή του ναού. Η κατασκευή προχωρούσε και το 1263 ολοκληρώθηκε η χορωδία και αγοράστηκε μόλυβδος για τον τρούλο.[3][1] Το 1284 άρχισε η διαμόρφωση της πρόσοψης από τον Τζοβάνι Πιζάνο και το 1299 η πρόσοψη συνεχίστηκε από τον Καμάινο ντι Κρεσεντίνο.[1][4] Το 1313 ολοκληρώθηκε το κωδωνοστάσιο του ναού, ύψους 77 μέτρων. Παράλληλα έγιναν εργασίες για την επέκταση του ναού, ανυψώνοντας το κεντρικό κλίτος.

Αυτές οι εργασίες διεκόπησαν το 1339, όταν οι κάτοικοι της πόλης, η οποία τότε ακμάζε και ο πληθυσμός της αυξανόταν, ότι ο καθεδρικός ήταν πολύ μικρός για την πόλη[1][5] και έτσι εκφράστηκε η επιθυμία για επέκταση του ναού, όπως είχε κάνει η Φλωρεντία, η οποία είχε αρχίσει να κατασκευάζει ένα νέο, τεράστιο καθεδρικό.[6] Έτσι προτάθηκε η επέκταση του ναού με τέτοιο τρόπο ώστε το κεντρικό κλίτος να γίνει το εγκάρσιο κλίτος. Το έργο ανατέθηκε στον Λάντο ντι Πιέτρο από το γενικό συμβούλιο τις 23 Αυγούστου 1339.[7] Όμως εξαιτίας της πανώλης το 1348 και κάποιες δομικές καταρρεύσεις, τον Ιούνιο του 1357 αποφασίστηκε να σταματήσουν οι εργασίες. Έμειναν μόνο οι βάσεις των κιόνων στο σημερινό μουσείο έργων του Ντουόμο, μαζί με την ημιτελή πρόσοψη (Φατσιατόνε).[1][5] Μετά την αποτυχία του νέου καθεδρικού, οι κάτοικοι της Σιένας αποφάσισαν να ολοκληρώσουν την παλιά κατασκευή και λίγα χρόνια μετά το 1357 οι εργασίες συνέχισαν[7] και ολοκληρώθηκαν το 1370.[1]

Το 1870 φωτιά κατέστρεψε τον εξωτερικό ξύλινο τρούλο και τμήμα της οροφής.[8]