La galleria custodisce i progetti di ammodernamento della facciata del Duomo generati per volontà dei granduchi medicei: sette grandi modelli lignei ad illustrazione di altrettante proposte per una facciata rinascimentale in sostituzione di quella medievale smantellata nel 1587. Questa – la facciata medievale – rimane sempre visibile attraverso grandi finestre che lasciano vedere la ricostruzione, invitando a misurare la distanza tra il fronte medievale e le proposte di architetti del periodo manieristico e del primo Barocco. Questa galleria accoglie anche due dei dipinti realizzati nel 1589 per le nozze in Duomo del Granduca Ferdinando I con la principessa francese Cristina di Lorena, nonché copie di alcune delle colossali statue effimere collocate su una facciata posticcia realizzata per l’occasione. Le statue originali sono visibili nella tribuna nord-ovest del Duomo, cui conduce la salita alla Cupola.