Il museo espone 11 delle 14 statue delle nicchie esterne della chiesa, con capolavori dei più grandi maestri fiorentini del Quattrocento. Sono escluse il San Matteo di Ghiberti, il cui originale è tuttora nella nicchia, e il San Giorgio di Donatello, che si trova al Museo del Bargello dal 1891.

Le statue si trovano su pedane che corrispondono alle posizioni nei rispettivi tabernacoli. Il progetto originario prevedeva la costruzione di pannelli attorno alle statue che simulassero le nicchie, ma poi si è preferito lasciarle senza cornice per permettere di apprezzarle a tutto tondo. Solo l'Incredulità di San Tommaso, essendo l'unica cava e senza retro, è stata circondata dai pannelli.

In alcuni degli originali in marmo si possono vedere bene le macchie dovute all'annerimento delle statue con sostanze oleose realizzato nell'Ottocento, quando si reputava disarmonico l'accostamento fra marmo e bronzo, ricercando un'uniformità.

Al secondo piano si trovano quaranta statue in pietra bigia o pietraforte, alte circa un metro, provenienti dalle sommità delle colonne di sostegno delle trifore all'esterno, componenti una serie di Santi e profeti. Esse sono molto danneggiate dagli eventi atmosferici, molte ormai illeggibili, e facevano pendant con le statue sulle colonnine interne, tuttora in loco e in ottimo stato di conservazione, spesso con tracce del colore originario. Le statue vennero staccate tra il 1950 e il 1960 e restaurate dall'Opificio delle Pietre Dure, che le tenne in deposito fino all'allestimento del museo. Di queste statue, alcune erano state rimosse nel 1876: quattro si trovano al Bargello e altre nel Museo di San Marco.