Vista actual de la fachada de la iglesia de San Pablo. En el lugar en que se alza esta iglesia ya existía una iglesia conventual. A mediados del XV se eleva el actual templo gótico sufragado por el cardenal Fray Juan de Torquemada, tío del inquisidor general Tomás de Torquemada. A su muerte continuó el mecenazgo Fray Alonso de Burgos, confesor de Isabel la Católica. El elemento más destacado del edificio es la fachada realizada en dos momentos. La parte inferior la realiza Simón de Colonia entre 1497 y 1500. En 1600 se hace con el patronato de la capilla mayor el Duque de Lerma, quien mandó realizar a comienzos del XVII, importantes obras en el templo, sobre todo la remodelación de la fachada.
En esta adaptación se ve la fachada tal como sería a comienzos del XVI. La fachada alcanzaba solamente la altura de la imposta situada sobre el rosetón central, en la que se aprecian dos gárgolas y sobre la que descansaba el frontón superior, en cuyo frontispicio figura el emblema de los Reyes Católicos sujetado por dos leones rampantes. A los lados quedaba acotada por dos pilares, en forma de altos pináculos escalonados que aún permanecen en su emplazamiento, decorados con numerosas esculturas bajo doseletes. Tenía una discreta torre campanario, cuyo aspecto se desconoce, pero que bien pudo ser similar al de la torre de la iglesia de San Lorenzo, que desapareció en la reforma realizada por el Duque de Lerma.
Esta primitiva fachada se articula en dos grandes cuerpos separados por impostas, uno inferior con la puerta de acceso en forma de arco conopial abocinado, cobijada bajo un amplio arco carpanel, y otro superior reticulado en cuyo centro se abre un rosetón. Sobre este conjunto se colocaría el frontón que hoy corona la fachada, a una altura inferior de como aparece en la actualidad. Todo ello planteado como una exaltación de la orden dominica y de la monarquía de los Reyes Católicos.
Esta fachada-retablo de piedra está decorada con un abigarrado programa iconográfico propio del gótico hispano-flamenco, también conocido como gótico isabelino. La ornamentación sigue el gusto por el horror vacui de reminiscencia mudéjar; recubre la totalidad de los paramentos. Los elementos ornamentales muestran un típico repertorio tardogótico: tracerías geométricas, retículas romboidales, arcos lobulados y conopiales, rosetas, escamas, orlas vegetales caladas, doseletes y cresterías, con infinidad de esculturas entre ellos.

El frontón, que pertenecía a la fachada del XVI y se coloca en el XVII en lo alto de la fachada, está totalmente recubierto por un tapiz de escamas y constituye un motivo de exaltación y propaganda política. Está presidido por un enorme emblema de los Reyes Católicos, sujeto por leones que en sus patas también sostienen el yugo y las flechas y sobre cuya corona se alza el águila de San Juan. La aparición de la granada en el escudo nacional data su ejecución en fecha posterior a 1492. Una veleta y una cruz de forja ocupan el vértice superior del frontón triangular.

En 1600 se hace con el patronato de la capilla mayor el Duque de Lerma, que acometió importantes obras en el templo. Su fin era convertir la iglesia en el centro religioso de un conjunto palaciego que acogería la corte en Valladolid, hecho que se consumó en 1601 y se prolongó hasta 1606. Los trabajos más destacados fueron diversas obras en el interior de la iglesia y, sobre todo, la remodelación de la fachada [en color amarillento], a la que se realizó una limpieza y se aumentó considerablemente en altura con un añadido superior en forma de tres cuerpos de trazado reticular, lo que hizo necesaria la colocación de dos potentes contrafuertes laterales que simulan torres al estar rematadas por espadañas con función de campanarios.

Además mandó eliminar todos los emblemas de Fray Alonso de Burgos de la fachada y sustituirlos por los suyos propios, añadiendo otros dos enormes en las torres, acompañados de lápidas conmemorativas, y otros doce sujetados por leones colocados sobre pilares que acotan el ámbito de la entrada, todo ello con fines propagandísticos, al tiempo que en el centro de la plaza mandó colocar un crucero procedente de la iglesia de Santiago. Con estas obras el primitivo aspecto de la fachada quedó trastocado por completo. Esta ampliación explica la repetición en la fachada de la iconografía del santoral, como los principales santos dominicos, que aparecen por duplicado, y los evangelistas, que se repiten hasta tres veces.

Ha sido objeto de numerosas hipótesis quiénes fueron los escultores participantes en la fachada Se ha señalando la posible intervención, junto a Simón de Colonia, autor de la traza general, de su hijo Francisco de Colonia y de un grupo de discípulos de Gil de Siloé, teorías basadas en las similitudes con los modelos burgaleses que aparecen en la Capilla del Condestable, en la iglesia de San Nicolás y en la Cartuja de Miraflores.  [para mayor tamaño, pulsa sobre la imagen]
Sobre la puerta, a modo de tímpano, aparece bajo un gran dosel la escena de la Coronación de la Virgen por la Santísima Trinidad, compuesto con figuras a distintas escalas. A los lados de la Virgen aparecen el Padre y el Hijo sujetando una corona sobre la que se coloca el Espíritu Santo en forma de paloma; al fondo y a los lados un coro de nueve ángeles músicos; a la izquierda aparece Fray Alonso de Burgos como donante, revestido de pontifical, de rodillas, rezando y amparado por San Juan Evangelista, que sujeta como atributo la copa emponzoñada; en el lado opuesto se halla San Juan Bautista, identificado por su aspecto de asceta y por portar el cordero que prefigura a Cristo; en ambos lados ángeles tenantes muestran escudos en los que originariamente aparecía la flor de lis, emblemas de fray Alonso de Burgos que serían reconvertidos en emblemas del duque de Lerma.

A los lados de la puerta, sobre pilares compuestos y columnas adosadas, se apoyan figuras de santos de gran tamaño y santas de pequeño formato. A la izquierda se aprecian a San Pedro Mártir, sujetando la palma de martirio con las tres coronas a las que renunció y un machete clavado en la cabeza, Santo Domingo de Guzmán con una antorcha y un libro en sus manos y un perro a los pies, junto a tres santas sin identificar de menor tamaño. El esquema se repite a la derecha, con las figuras de Santo Tomás de Aquino, con la maqueta de una iglesia en la mano, San Vicente Ferrer en su condición de prestigioso predicador.

De nuevo en las enjutas dos parejas de ángeles sujetan escudos.
En torno al rosetón hay una menor densidad de esculturas, con los muros tapizados por distintos tipos de tracerías. Una cornisa con dos tipos de motivos, hojarasca y arquillos, separan este cuerpo del inferior. Colocadas bajo doseletes aparecen en el centro tres figuras sedentes que corresponden a Dios Padre y a los lados San Pedro y San Pablo, con las llaves y la espada respectivamente. Bajo las arquerías lobuladas se ubican los Cuatro Evangelistas sentados ante sus pupitres y acompañados de los símbolos del tetramorfos
Evangelistas
Iconografía

Arriba, a los lados del rosetón y bajo arcos conopiales se hallan parejas de ángeles tenantes de gran formato. Coronando el arco sobre el rosetón está una figura no identificada con barba, turbante y una filacteria que se ha interpretado como un profeta.

La ordenación del cuerpo alto de la fachada rompe con el goticismo de los cuerpos inferiores y responde al gusto clasicista imperante en los inicios del siglo XVII, a pesar de lo cual es evidente que se procuró mantener un sentido unitario en la estética del conjunto, para lo cual se reaprovecharon altorrelieves góticos de procedencia desconocida y se hicieron nuevas esculturas por destacados maestros.

Se estructura en tres cuerpos divididos en cinco calles, con un fondo unitario tapizado de estrellas, resaltadas y rehundidas alternativamente, elementos que aluden al emblema familiar del Duque de Lerma. La ordenación iconográfica responde a un criterio bien estudiado, reservando los dos cuerpos inferiores a Cristo y el superior a las glorias dominicas y la Virgen.

En las tres calles centrales de los cuerpos inferiores aparecen colocados bajo doseles seis altorrelieves góticos relacionados con el triunfo de Cristo que presentan las escenas de Las Marías ante el sepulcro, la Resurrección, el Encuentro camino de Emaús, la Aparición a los discípulos, San Juan y San Pedro ante el sepulcro y la Duda de Santo Tomás. En las calles laterales inmediatas aparecen las figuras del rey David, Salomón y dos profetas, los cuatro atribuidos a Francisco de Rincón, y en los extremos los Cuatro Evangelistas dentro de nichos, iconografía que se repite por tercera vez a lo largo de la fachada. [para mayor tamaño, pulsa sobre la imagen]

En el cuerpo superior y separados por bandas góticas reaprovechadas, talladas con hojarasca, niños y animales, aparecen en el centro la Virgen con el Niño, Santo Domingo de Guzmán y Santo Tomás de Aquino dentro de hornacinas. A su lado dos grandes escudos de armas del Duque de Lerma rodeados de guirnaldas y en los extremos otras dos hornacinas con San Pedro de Verona y San Vicente Ferrer. Los cuatro santos dominicos situados en este cuerpo, todos ellos realizados en el momento de la ampliación, repiten su presencia en la fachada, pues son los mismos que aparecen en gran tamaño a los lados de la puerta.