Жестокий удар благосостоянию города нанесла эпидемия чумы в 1348 г. Закат сиенской славы был медленным, но неуклонным. Около полувека городом правили выборные старшины: сначала девять (это сохранилось еще от смены власти в 1287 г.), потом – 12 (1355), 15 (1385), 10, 11 и снова 12 (1398), пока, наконец, власть в городе не передается миланцу Джан Галеаццо Висконти, который должен был остановить экспансию Флоренции, но быстро разочаровал сиенцев и в 1404 г. был изгнан из города. В Сиене снова установилось правительство Десяти, которое, однако, вынуждено было учитывать требования флорентийцев и неаполитанского короля Ладислава.
Когда уроженец Сиены был избран папой (Пий II), к власти в городе пришли представители знати, но вскоре власть снова вернулась в руки народных представителей. В 1472 г. республика основала банк «Монте дей Паски», действующий и в наши дни и являющийся, таким образом, самым старым банком в мире. Нобили вернулись к власти в 1487 г. при поддержке Флоренции и Каррары: Пандольфо Петруччи сыграл выдающуюся роль в истории города. Он не только оказывал покровительство наукам и искусствам, но и защищал Сиену от попыток захватить город, которые предпринимал Чезаре Борджа.
Наследники Пандольфо уже не пользовались такой поддержкой горожан. Последний из Петруччи, Фабио, был изгнан из города в 1523 г. Император Карл V попытался воспользоваться хаосом в управлении городом и ввел в Сиену имперский гарнизон. Но горожане взбунтовались, прогнали испанцев и объявили себя союзниками французов (1552), что дало императору предлог послать к городу флорентийско-имперскую армию под командой генерала Джан Джакомо Медичи.
Командующим обороной города сиенцы выбрали Пьеро Строцци, но силы были неравны: в августе 1554 г. сиенская армия потерпела поражение в битве при Марчано. Сиенцы вынуждены были запереться в городских стенах. Началась длительная осада, закончившаяся капитуляцией города 25 апреля 1555 г. Сиенская республика, единственное государство в Европе, в котором власть долгое время находилась в руках горожан, перестала существовать.
Новый король Испании Филипп II передал земли Сиены Великому герцогству Тосканскому, исключив из них только прибрежные крепости, пожалованные другому государству – Президиям.
Сиена пребывала в составе Великого герцогства вплоть до объединения Италии в XIX в.
Главной церковной достопримечательностью Сиены является кафедральный собор. Строить его начали в XII в. Официально он был освящен в 1179 г. Однако строительство продолжалось еще не одно столетие. В 1265–1268 гг. Никколо Пизано сооружает знаменитую восьмиугольную готическую кафедру; в 1284 г. по проекту Джованни Пизано, его сына, начинается строительство фасада, этой дивной архитектурной сказки с чередованием полос темного и светлого мрамора. Закончили фасад в 1376 г. Кампанилу возвели в XIV в., баптистерий – в 1317–1382 гг.
В интерьере собора дольше всего изготовляли инкрустированный пол: над ним трудились почти полсотни мастеров в 1369–1547 гг. Лучшие сиенские художники (Маттео ди Джованни, Доменико ди Бартоло, Антонио Федеригипо и многие другие) создали великолепные мозаичные картины из цветных камней. В интерьере собора можно также восхищаться циклом фресок Пинтуриккьо.
В 1339 г. было принято решение о строительстве нового собора. Еще не до конца завершенная громада старого собора должна была органично войти в новый архитектурный объем, став лишь левым крылом трансепта. Если бы этот дерзкий архитектурный замысел был воплощен, Сиенский собор стал бы самым большим христианским храмом в мире. (Впрочем, некоторые искусствоведы считают весьма проблематичным выполнение проекта: колоссальный собор мог просто-напросто рухнуть под тяжестью чудовищной нагрузки. Возможно, оттого-то, проверив замысел повторными расчетами, заносчивые сиенцы и отказались от строительства.) Однако эпидемия чумы помешала строительству, и сейчас с южной стороны собора можно видеть стены и аркады незавершенной постройки, перпендикулярные главной оси собора.