La cattedrale dei Santi Pietro e Donato è il principale luogo di culto cattolico della città di Arezzo, sede vescovile della diocesi omonima.
Posto sulla sommità del colle dove sorge la città, è posto sul sito di una chiesa paleocristiana e forse nel luogo dove anticamente sorgeva l'acropoli cittadina.

Una prima cattedrale di Arezzo sorse sul vicino Colle del Pionta, sul luogo in cui era sepolto e venerato il santo martire Donato, decapitato nel 363. Nel 1203 papa Innocenzo III ordinò di trasferire la cattedrale entro le mura cittadine sul sito in cui sorge oggi. Il duomo di Arezzo è ancora intitolato a San Donato e conserva sull'altare principale una pregevole arca marmorea trecentesca a lui dedicata e un'arca dove è conservato il corpo del santo (la testa si conserva nel busto reliquario presso la pieve di Arezzo).

La costruzione del duomo di Arezzo odierno, avvenuta a partire dal 1278, ha avuto fasi diverse, concluse solo nel 1511. La facciata fu costruita tra il 1901 e il 1914, sostituendo la precedente, incompiuta, del XV secolo.
La facciata fu costruita in arenaria tra il 1901 e il 1914 su disegno di Dante Viviani in sostituzione di quella precedente, rimasta incompiuta. In stile neoclassico, presenta una ricca decorazione scultorea che venne realizzata da Giuseppe Cassioli, Enrico Quattrini e dallo stesso Dante Viviani. Il prospetto è a salienti e segue la suddivisione interna in tre navate, marcata da pilastri rettangolari poco sporgenti. In basso, si aprono i tre portali, ognuno dei quali è strombato e decorato da una lunetta scolpita a bassorilievo; solo il portale centrale presenta anche una ghimberga sormontata da tre statue, ciascuna con proprio baldacchino: in alto Gesù redentore e in basso San Donato (a sinistra) e San Pietro (a destra). In corrispondenza della navata centrale, si apre anche un rosone circolare. Il coronamento della facciata è caratterizzato da una decorazione ad archetti pensili.

Il fianco destro conserva la struttura trecentesca originaria, caratterizzata dal paramento in blocchi di arenaria. È anzi visibile, a qualche metro di distanza dalla facciata, una chiara linea di demarcazione tra i nuovi blocchi di arenaria del XX secolo e quelli antichi del XIV secolo. A metà del fianco destro si apre un ampio portale di gusto fiorentino (1319-1337), con due tronconi di colonne in porfido riutilizzate da un tempio pagano. La lunetta in terracotto, risalente al 1330, raffigura la Madonna col Bambino fra due angeli e san Donato e il beato Gregorio X ed è opera di Niccolò di Luca Spinelli.

Singolare è la storia del campanile, infatti quello attuale è il terzo campanile costruito per questa cattedrale. In principio il campanile era concepito per la costruzione attaccato alla cattedrale, ma le vibrazioni del campanile durante il suono delle campane, danneggiava le vetrate eseguite da Guillaume de Marcillat; successivamente fu quindi iniziata la costruzione poco più lontana, ma una falda acquifera sotterranea ne minò la stabilità; infine fu costruito come struttura a sé stante (posizione attuale) e solo successivamente fu unito alla cattedrale mediante la realizzazione degli appartamenti dei custodi del duomo.

La torre attuale è a pianta esagonale ed è suddivisa in quattro ordini sovrapposti da cornicioni; mentre quello inferiore è privo di aperture, i due mediani presentano su ciascun lato un'alta monofora ogivale. Il quarto ordine, insieme alla cuspide, è frutto del completamento del campanile, realizzato nel XX secolo, ed è decorato da rosoni circolari strombate con elaborate intelaiature lapidee.

L'interno della cattedrale dei santi Pietro e Donato è a tre navate, ciascuna delle quali si articola in sei campate coperte con volta a crociera, ed è privo di transetto; i tre ambienti del piedicroce sono divisi fra di loro da grandi arcate a tutto sesto poggianti su pilastri polistili con i capitelli scolpiti. La navata centrale è illuminata da rosoni circolari in controfacciata e lungo la parete di destra (i rosoni della parete di sinistra sono murati). Il rosone della facciata è opera di Guillaume de Marcillat, che lo realizzò nel 1518, e raffigura la Pentecoste. Con un diametro di 3,5 metri, venne commissionato dall'Opera del Duomo, il cui nome è presente nella parte inferiore della vetrata. Nella raffigurazione, si vedono gli Apostoli seduti in cerchio con al centro la Madonna affiancata da due angeli; in alto, vi è la colomba dello Spirito Santo.

Di Guillaume de Marcillat e Salvi Castellucci sono anche gli affreschi che adornano la parte superiore delle pareti della navata centrale e le volte di quest'ultima. A ridosso dei pilastri tra la terza e la quarta campata, si trovano due pulpiti marmorei rinascimentali decorati con bassorilievi.

La navata centrale termina con una grande abside poligonale, costruita nel XIII secolo. Essa è illuminata da tre alte bifore chiuse da vetrate policrome, ricostruite dopo che quelle originarie andassero perdute durante la seconda guerra mondiale per via dello spostamento d'aria causato da una bomba. La vetrata centrale raffigura Maria Assunta in Cielo fra Santi, mentre quelle laterali alcuni Santi.

Al centro dell'abside, si trova l'altare maggiore, precedente al 1289, decorato su tre lati da archetti a sesto acuto sorretti da colonnine. Alle sue spalle, trova luogo l'Arca di san Donato, straordinaria opera marmorea documentata nel 1362, ma eseguita precedentemente in fasi diverse. Fu realizzata in memoria di San Donato vescovo, santo martire morto ad Arezzo nel 363 cui è titolata il duomo e che è patrono della città di Arezzo. Il corpo di San Donato è conservato nell'arca della cattedrale aretina, mentre la testa si conserva nel busto reliquario delle pieve di Arezzo. L'urna di marmo è retta da dodici pilastrini terminanti in guglie e pinnacoli gotici, alla cui realizzazione parteciparono artisti senesi, fiorentini e aretini nel corso del XIV secolo. La fascia più bassa è di Agostino di Giovanni e Agnolo di Ventura (prima metà del Trecento), mentre gran parte della fascia superiore, con la grande pala marmorea, un tempo anche dipinta, raffigurante al centro la Madonna con il Bambino, è di Giovanni di Francesco e Betto di Francesco, che vi lavorarono nella seconda metà del XIV secolo. La parte posteriore dell'arca, sorretta da sei colonne corinzie, è decorata con Scene della vita di San Donato.
Il coro ligneo della cappella maggiore, disegnato da Giorgio Vasari nel 1554, è stato rimosso nel 2012 in occasione della realizzazione della nuova area presbiterale. Le tracce di affreschi nell'abside sono avanzi della primitiva struttura duecentesca della chiesa.

Partendo dalla controfacciata si incontrano il battistero esagonale, con rilievi della scuola di Donatello, tra cui il Battesimo di Cristo è attribuito al maestro stesso; gli altri (Ilariano che battezza san Donato e Donato che battezza un infedele) sono attribuiti a Francesco di Simone Ferrucci. Seguono un altare seicentesco e la tomba di Francesco Redi, del XVIII secolo.

Tornando nella navata si incontra un altare seicentesco con la grande tela di Pietro Benvenuti del Martirio di san Donato (1794). L'organo rinascimentale è di Luca da Cortona del XVI secolo e si trova su una cantoria su mensoloni in pietra serena, prima opera architettonica conosciuta dell'allora ventiquattrenne Giorgio Vasari. Sotto di essa si trova un'edicola chiusa da una vetrata, che contiene una preziosa e venerata scultura lignea della Madonna col bambino benedicente, opera di scultore aretino degli anni ottanta del Duecento, proveniente dalla chiesa di San Martino, demolita nel 1539. Attorno vi si trovano frammenti di affreschi con la Madonna e storie dei santi Anna, Giovacchino e Giuliano del primo Trecento, attribuiti a Gregorio d'Arezzo e Donato di Arezzo.

Oltre un portale laterale si incontra il grandioso cenotafio di Guido Tarlati, vescovo e signore di Arezzo morto nel 1327. Già collocato, fino alla seconda metà del XVIII secolo, nella cappella del Santissimo Sacramento, è composto da un'edicola con una arco a tutto sesto, timpano e pinnacoli gotici, sotto la quale si trovano una serie di sedici bassorilievi narrativi con episodi della sua vita accompagnati da scritte esplicative, eseguiti nel 1330 dai senesi Agostino di Giovanni e Agnolo di Ventura, su disegno forse di Giotto.

A fianco del monumento si trova la Maddalena di Piero della Francesca, celebre opera realizzata tra il 1460 e il 1466, dove un uso sperimentale della luce dà un'innovativa vitalità e forza plastica alla figura, dipinta come se si stesse affacciando da un arco.

La parete fondale della navata, davanti alla quale si trova l'altare di San Silvestro, è decorata con due affreschi di Giuseppe Servolini raffiguranti San Leone Magno (a sinistra) e San Giovanni I Papa. Al centro, la più antica delle vetrate di Guillaume de Marcillat, realizzata nel 1516 e raffigurante, dall'altro, l'Allegoria della Carità, San Silvestro e Santa Lucia. Nella parte superiore della parete, vi è un affresco del Servolini raffigurante la Madonna in trono col Bambino fra angeli.

Dalla seconda campata della navata sinistra, si accede alla cappella della Madonna del Conforto, rara opera in stile neogotico con elementi neoclassici, realizzata nel 1796 su progetto di Giuseppe del Rosso e completata nel 1817.
Il suo ingresso è chiuso da una transenna marmorea con architrave sorretto da quattro pilastri sul quale è la seguente iscrizione riportata su entrambi i lati:La transenna è inoltre chiusa da un'elegante cancellata in ferro battuto, realizzata nel XVIII secolo.

La cappella ha pianta cruciforme mancante della campata della navata, con due ambulacri tra i due bracci del transetto e la campata presbiterale; quest'ultima termina con un'abside trilobata illuminata da monofore rettangolari. La crociera è coperta con una cupola semisferica cassettonata con lanterna, priva di tamburo; nei quattro pennacchi, vi sono degli affreschi monocromi raffiguranti quattro profeti: Isaia, Ezechiele, Daniele, Geremia. Gli altri ambienti della cappella sono invece coperti con volta a crociera anch'essa affrescata. Gli affreschi sono opera di Luigi Ademollo e Luigi Catani, che li realizzarono tra il 1799 e il 1802, e raffigurano scene dall'Antico e dal Nuovo Testamento.

Nel braccio destro del transetto, al di sopra del sepolcro marmoreo del vescovo Agostino Albergotti, vi è una terracotta invetriata della bottega di Andrea della Robbia raffigurante Maria Assunta in Cielo tra angeli, dell'ultimo decennio del XV secolo. Sulla parete accanto, vi è una pala con Giuditta che mostra la testa di Oloferne di Pietro Benvenuti (1804), contrapposta alla tela di Luigi Sabatelli Abigail che placa Davide (1806) posta nel braccio sinistro del transetto. In quest'ultimo, si trova anche luogo una terracotta di Andrea della Robbia e collaboratori della fine del XV secolo con la Madonna con il Bambino tra i Santi Bartolomeo e Bernardino.

Nell'ambulacro di sinistra, sulla parete laterale, vi è una terracotta invetriata di Andrea della Robbia e bottega raffigurante Maria in trono col Bambino fra i Santi Donato, Maddalena, Apollonia e Bernardino da Siena e Dio Padre, risalente al 1493-1495; la sua predella è formata da tre bassorilievi anch'essi in terracotta, raffiguranti, da sinistra: la Comunione di Santa Maria Maddalena, la Natività di Gesù, il Martirio di Santa Apollonia. Sulla parete fondale dell'ambulacro, trova luogo il marmoreo monumento funebre di Nicolò Marcacci. Sulla parete laterale dell'ambulacro di sinistra, invece, vi è una terracotta di Andrea della Robbia con la Santissima Trinità tra i Santi Bernardo e Donato e angeli (1485-1486), proveniente dalla chiesa della Santissima Trinità; nella predella, la Madonna col Bambino fra i confratelli della Misericordia. La parete di fondo ospita il neoclassico ingresso monumentale al sepolcro dei vescovi aretini, sormontato da una scultura della bottega di Andrea della Robbia raffigurante Maria in adorazione del Bambino (1480 circa).

L'abside è interamente occupata dal presbiterio, delimitato da una balaustra marmorea. Al centro, vi è l'altare in marmi policromi, terminato nel 1823; l'ancona, affiancata da due angeli marmorei reggicandelabro, è sormontata da un timpano triangolare sorretto da due colonne corinzie; essa custodisce l'immagine della Madonna del Conforto, patrona della diocesi di Arezzo-Cortona-Sansepolcro, che, il 15 febbraio 1796, mentre la popolazione era preoccupata per violente scosse di terremoto, fu vista mutare miracolosamente il proprio volto da nero in bianco ed in seguito il terremoto cessò.


Nella navata destra, dalla controfacciata, si incontra il Monumento funebre di papa Gregorio X, pontefice morto ad Arezzo il 10 gennaio 1276 durante il ritorno da uno dei suoi viaggi a Roma. La pregevole arca sepolcrale in stile gotico però è degli inizi del Trecento ed è costituita da un baldacchino con arco ogivale poggiante su due colonne con capitelli scolpiti; sotto di esso, vi è il sarcofago del papa, la cui parte anteriore è decorata da un bassorilievo con, entro delle mandorle, l'Agnus Dei (al centro) e gli Evangelisti (ai lati); sopra il sepolcro, una statua del pontefice defunto.

Più avanti si incontrano i frammenti di un affresco trecentesco con la Madonna col Bambino in trono tra santi di Buonamico Buffalmacco; poco lontano, sui pilastri della navata centrale, si trovano due pergami della seconda metà del XV secolo di scuola marchigiana.
Segue un affresco con la Madonna col Bambino tra sei storie delle vite dei santi Cristoforo e Giacomo Maggiore, di un maestro anonimo della seconda metà del XIV secolo.

Nella quinta campata della navata si trova il monumento sepolcrale di Ciuto Tarlati (1334), composto da un sarcofago marmoreo baccellato del IV secolo e una serie di rilievi dello scultore senese Giovanni di Agostino, coronati da un arco sotto il quale si trova l'affresco della Crocifisso tra la Madonna e santi col donatore Ciuccio di Vanni Tarlati di Pietramala, di un pittore aretino coevo detto Maestro del Vescovado. Si tratta dell'unica delle ventisei cappelle esistenti nel Trecento che sia pervenuta.
La sesta e ultima campata della navata è decorata, sulle pareti, da un ciclo di affreschi di Giuseppe Servolini raffiguranti la Passione di Gesù: sulla parete laterale Gesù che porta la Croce e sulla parete di fondo, a sinistra l'Ecce Homo, a destra la Crocifissione. Nella parete fondale, davanti alla quale si trova il barocco altare del Santissimo Sacramento, si apre una monofora chiusa da una vetrata policroma raffigurante in altro il Redentore e in basso San Donato.

La navata è illuminata da cinque grandi bifore chiuse da pregevoli vetrate policrome di Guillaume de Marcillat: la prima vetrata raffigura la Vocazione di San Matteo (1519-1520) e venne commissionata dall'Opera del Duomo, il cui stemma è presente nell'oculo; la seconda vetrata, nella terza campata, venne anch'essa commissionata dall'Opera del Duomo e raffigura il Battesimo di Cristo (1519); nella quarta campata si aprono due bifore, la prima con la Cacciata dei mercanti dal Tempio (1522-1524), la seconda con Cristo e l'adultera (1522-1524); nella quinta campata, una bifora più grande delle altre ospita una vetrata con la Resurrezione di Lazzaro (1519-1520).


Gli organi della cattedrale dei Santi Pietro e Donato ad Arezzo: sono tre:il più antico venne costruito tra il 1534 e il 1536 da Luca di Bernardino da Cortona, ha un'unica tastiera e pedaliera e dispone di 7 registri,a pavimento nell'aula vi l'organo Pinchi opus 430, costruito nel 2006, a due tastiere e pedaliera, con 26 registri,nella cappella della Madonna del Conforto vi è l'organo Tamburini opus 76, costruito nel 1922.