La fachada occidental de la iglesia, influida por las catedrales de París y Reims, puede verse desde la escalinata de la plaza de Santa María.

La fachada de Santa María, con tres arcos apuntados y abocinados, cobija en su mitad inferior la Puerta Real o del Perdón, en el centro, y las Puertas de la Asunción y de la Inmaculada, en los laterales. Esta puerta, construida en el siglo XIII y dedicada a la Virgen, fue considerada la manifestación escultórica gótica más importante de Castilla, pero su grave deterioro obligó a reconstruir austeramente las puertas laterales en 1663 por Juan de Pobes y la central, de estilo neoclásico, con vano adintelado y frontón triangular, en 1790. Los tímpanos de las puertas laterales están decorados con relieves de la Concepción y el Coro.

Catedral iluminada.

En el segundo tramo de la calle central de la fachada hay un rosetón cisterciense del siglo XIII con tracería de estrella de seis puntas o sello de Salomón. En el tercer tramo de la misma calle hay una elegante galería, jalonada por agujas y varios pináculos, y formada por dos grandes ventanales con parteluces y tracería de tres óculos cuadrilobulados. Bajo los ocho arcos que forman los parteluces de ambas arquerías se encuentran las estatuas de los ocho primeros reyes castellanos, desde Fernando I a Fernando III. Una magnífica barandilla creciente de arcos apuntados corona la calzada, sobre la que hay una estatua de la Virgen con el Niño con la frase Pulchra es et decora. Juan de Colonia construyó este remate a mediados del siglo XV.

Sobre las puertas laterales del primer cuerpo se alzan dos torres casi gemelas del siglo XIII de tres cuerpos, pilastras decoradas con pináculos y estatuas en sus ángulos, y vanos apuntados decorados a cada lado de cada cuerpo: uno abocinado con parteluz y tracería de óculo, cubierto con vidrieras en el primer cuerpo; dos vanos geminados sin parteluz ni tracería en el segundo cuerpo; y otros dos vanos geminados con parteluz y tracería en el tercer cuerpo.

Juan de Colonia añadió a estas torres, a mediados del siglo XV, dos chapiteles piramidales de base octogonal y bellas grecas que definen el perfil de la iglesia burgalesa. Es posible que el maestro Juan conociera el proyecto suabo-alemán de la catedral de Colonia, aunque las agujas de la ciudad no se erigieron hasta el siglo XIX. La catedral de Friburgo y Basilea3 se erigieron antes. El obispo Alonso de Cartagena y su sucesor, Luis de Acuña, financiaron las agujas de Burgos. Sus escudos y los de la monarquía castellano-leonesa están en los parapetos que unen las torres. El maestro Juan también colocó en estos antepechos las leyendas pax vobis y ecce Agnus Dei (he aquí el Cordero de Dios) y una escultura de San Juan Bautista.

Dos torreones poligonales con arcos lobulados, pináculos, esculturas y chapiteles piramidales ascienden hasta las agujas de las torres y albergan escaleras de caracol que conducen al triforio y a las bóvedas de la catedral.