La facciata, in bugnato di peperino, ricorda lo stile classico, ingentilito però dalla grazia tutta toscana del tempo.

Fu costruita, fino al timpano, da Bernardino di Giovanni da Viterbo e da Carlo di Mariotto e Domenico di Giacomo da Firenzuola, nel 1508 (esiste infatti sotto al frontone un'iscrizione che dice: MDVIII Ave Maria gratia plena Dominus tecum et benedicta tu in mulieribus).

Il frontone, su consiglio dell'architetto Pietro Rosselli, collaboratore di Antonio da Sangallo il Giovane e di Michelangelo, fu realizzato dagli stessi mastri nel 1517 e fu posto in opera dai muratori Bernardino da Como e Lazzaro di Francesco di Arezzo.

Nel timpano una quercia piega i suoi rami sopra due leoni, emblema di Viterbo, che, posando fieramente le zampe sopra l'arrne della città, sembrano vigilare a protezione di essa.

L'insieme è reso vivace da 3 porte, due laterali ed una centrale, sormontate da lunette in terracotta invetriata opera di Andrea Della Robbia (1507).

Quella a destra raffigura S. Tommaso d'Aquino, che tiene sulla mano destra una chiesa, della quale pilastri sono i suoi scritti, simboleggiati dal volume, che tiene nella sinistra. Il petto è irradiato da un sole, simbolo della grazia e della ispirazione di Dio. Ai lati due angeli si inchinano riverentemente.

La lunetta a sinistra raffigura San Pietro martire, che ha conficcati, in testa, una zagaglia e, sulle spalle, un pugnale. Nella mano sinistra ha una palma simbolo dei martiri e stringe al petto un libro, simbolo della fede. Ai lati, in venerazione, due angeli.

Al centro, larga più di due metri, è posta una delle opere più belle di Andrea.

Rappresenta il trionfo della Madonna della Quercia. Nel mezzo sta la Vergine dietro la quale, a mo' di mantello, spuntano dei rami di quercia; tra le braccia sta Gesù che mentre benedice, tiene nella mano sinistra una rondinella. Ai lati della Vergine, San Domenico, e San Lorenzo, protettore di Viterbo. Due angeli sostengono la corona sopra la testa ai Maria.

Tre porte di noce, intagliate, spiccano tra il grigio del peperino.

Furono fatte nel 1507 da Ludovico Galluzzi e successivamente restaurate ed intagliate dal francese Mastro Torode (1620); su di esse sono stati scolpiti anche gli emblemi dei benefattori del convento e della chiesa.

La seconda volta, nel 1620, le pose in opera Mastro Battista da Capranica.

Tutt'intorno alle porte una cornice di pilastri e sguinci in peperino lavorato come trine di seta eseguita da Mastro Domenico di Giacomo da Firenzuola, Mastro Bernardino da Viterbo e da Carlo fiorentino (1504 -1508).

Nella facciata si aprono tre rosoni, uno grande al centro e due piccoli lateralmente, per dare luce all'interno e spezzare la monotonia del bugnato.

Sopra l'arco della porta centrale è l'arma di Giulio Il, fatta da Giampietro di Val Lunigiana nel 1507.

In alto, sulla destra di chi guarda, un gioiello del ferro battuto:la " LOGGIA delle BENEDIZIONI" un balcone elegantissimo con le sue colonnette a spirale e gli archetti e i piccoli rosoni; è opera del mastro fabbro-ferraio Vincenzo da Viterbo che lo eseguì nel 1483.