Najwcześniejsza wzmianka o katedrze pochodzi z 748 r., Chociaż musiał istnieć starszy kościół biskupi, biorąc pod uwagę, że biskup znany jest w Pizie od 313 rne. Ostatnie badania archeologiczne ujawniły pozostałości dużego budynku kościelnego, wcześniejszego niż katedra romańska, ale pochodzącego z X wieku, a więc nie z budynku wspomnianego w dokumentach Longobarda.

Romańska katedra na Piazza dei Miracoli została założona w 1064 roku. Tradycja mówi, że wkrótce po zwycięstwie w Pizie nad Palermo. Do 1100 r. Prace kierował architekt Buscheto, ale w końcowych etapach, kiedy przedłużono nawę i zbudowano fasadę, nowym magistrem był Rainaldo. W 1118 roku katedra została konsekrowana przez papieża Gelasio II, prawdopodobnie przed zakończeniem.

Kościół zbudowany jest w kształcie krzyża łacińskiego, z nawą główną zakończoną absydą, czterema nawami bocznymi i transeptem. Szczególną cechą ścian zewnętrznych, zbudowanych z marmuru z kilku miejscowości, jest ilość ponownie wykorzystanego materiału, z elementami architektonicznymi i napisami z czasów rzymskich. Ściany północne i południowe zbudowane są z różnych rodzajów kamienia, co odpowiada pracy pod Buscheto i ukończeniu pod Rainaldo.

Dolna część fasady jest podzielona przez sześć okrągłych martwych łuków spoczywających na kolumnach i kapitelach. Dwie środkowe kolumny otaczające główne drzwi wyrzeźbione są spiralnymi listkami. Romby pod łukami i przestrzenie nad nimi są ozdobione polichromiami. Powyżej fasada jest podzielona na cztery poziomy kolumnad, z których wiele zostało zastąpionych w XVI i XIX wieku. Rzeźbiony freizeide nad pierwszą galerią, scenami myśliwskimi, można przypisać warsztatom Guglielmo i Rainaldo.

Brązowe drzwi fasady zostały oddane przez różnych artystów florenckich w XVII wieku, ale drzwi San Ranieri z tyłu, naprzeciwko Wieży, zostały odlane około 1180 roku przez Bonanno Pisano, jedyne drzwi, które przetrwały ogień w 1595 r.

Katedra ma kształt krzyża łacińskiego, z nawą główną zakończoną absydą i czterema nawami bocznymi oraz transeptem trzech naw.
Centralna nawa jest otoczona monolitycznymi granitowymi filarami z stolicami z XI i XII wieku. Galeria kobiet biegnie powyżej, z potrójnymi otworami, które ciągną się wokół transeptu. Wzdłuż środkowej przęsła biegnie eliptyczna kopuła z freskiem Matki Boskiej w Chwale i Saintsby Orazio Riminaldi (1627-1628). Złocone kasetonowe nad nawą, transeptem i prezbiterium zostały wyrzeźbione przez Domenico i Bartolomeo Attyka w latach 1596-1602. Czternaście XV-wiecznych okien oświetla ściany nawy, ozdobione opowieściami ze Starego Testamentu.
Przy pilastrze transeptu znajduje się wspaniała ambona autorstwa Giovanniego Pisano (1302-1310). Ma kształt ośmiokątny, z dziewięcioma plutei lub panelami wyrzeźbionymi w opowieściach z życia Chrystusa i Dziewicy i Sądu Ostatecznego, spoczywających na półkach z prorokami i Sybilami oraz rzeźbionymi stolicami i posągami symbolizującymi Cnoty Kościoła. Godna podziwu jest także wielka mozaika w absydzie, błogosławieństwo Chrystusa z Dziewicą i św. Janem Ewangelistą, dzieło Francesco i Lapo, z twarzą św. Jana wypełnioną przez Cimabue w 1302 r. Wśród dzieł średniowiecznych jest XIII-wieczna Madonna di sotto gli organi, przypisywany Berlinghiero Berlinghieri z Volterry, fresk Madonny z Dzieciątkiem w San Torpè Maestro, na łuku triumfalnym i marmurowej podłodze intarsji Cosmatesque (połowa XII wieku).

Na ołtarzach bocznych i prezbiterium znajduje się wiele cennych fresków, obrazów i wyposażenia z XVI-XVII wieku.