Il cimitero della Cattedrale fu iniziato nel 1277, per opera di Giovanni di Simone, come ultimo degli edifici monumentali della piazza, a formare una quinta scenica sul lato settentrionale.

L’edificio fu detto Campo Santo per una tradizione secondo la quale il terreno dove sorse sarebbe stato mescolato con terra giunta dalla Terrasanta con le navi pisane di ritorno dalla III crociata. L’ampia struttura nacque comunque per uno scopo ben preciso: creare uno spazio adeguato per raccogliere i sarcofagi e le varie sepolture che da secoli affollavano l’area attorno alla Cattedrale. Per questo nel 1277 l'arcivescovo Federico Visconti firmò l'atto di donazione del terreno per la costruzione di uno "spazio recintato" ad uso di cimitero, che ebbe dapprima la forma di chiesa, dedicata alla Trinità. L’interruzione dei lavori, causata anche dalla sconfitta di Pisa nella battaglia della Meloria, e la ripresa nel Trecento ridefinirono completamente la struttura, che ebbe la pianta all’incirca rettangolare con grande chiostro centrale.

L'esterno è in semplice marmo bianco, con 43 archi ciechi e due porte. L'accesso principale è quello ad oriente, ed è decorato da un tabernacolo gotico sopra il portale, opera della seconda metà del XIV secolo, con statue della Vergine col Bambino e quattro santi. All'interno vi è un chiostro con arcate a sesto acuto particolarmente decorate, nei corridoi del quale sono presenti numerosi sarcofagi romani, un tempo riutilizzati per le sepolture più prestigiose.

Nel 1360 iniziarono gli affreschi dei corridoi con soggetti legati al tema della vita e della morte, ai quali lavorarono Buonamico Buffalmacco e Francesco Traini, il primo autore del celebre Trionfo della Morte, il secondo di una Crocefissione. Nella cappella Aulla è conservata la cosiddetta “lampada di Galileo”, un tempo in cattedrale, la cui osservazione dette allo scienziato lo spunto per la teoria sull'isocronismo del pendolo.

All'interno della struttura sono inoltre esposti alcuni anelli della grande catena di Porto Pisano che dopo la sconfitta della Meloria (1284) fu spezzata e portata a Genova, fino alla restituzione dopo l'Unità d'Italia.