Nel 1317 l'Opera del Duomo decise di allungare il coro del Duomo di due campate. Essendo però la parete di fondo del coro già a ridosso di una discesa scoscesa, l'unico modo era costruire sotto un nuovo edificio il cui soffitto supportasse il pavimento delle nuove campate del coro del Duomo. Si decise quindi di costruire un nuovo battistero in sostituzione di quello vecchio. I lavori vennero affidati all'allora capomastro dell'Opera Camaino di Crescentino, padre del più famoso Tino di Camaino. I lavori vennero ultimati nel 1325.

Nel 1355-1382 il monumento venne provvisto di una facciata marmorea, in puro stile gotico senese, a opera di Domenico di Agostino, anche se i lavori vennero interrotti nel 1382 lasciando incompiuta la parte superiore e priva di rifiniture quella inferiore.

Nel secolo successivo il battistero si arricchì del fonte battesimale posto al centro, il pezzo più pregiato dell'intero monumento e opera di vari artisti tra cui Donatello e Jacopo della Quercia, e degli affreschi sulle volte e sull'abside a opera principalmente di Lorenzo di Pietro detto “il Vecchietta”.