La cattedrale di San Zeno è il principale luogo di culto cattolico di Pistoia, sede vescovile dell'omonima diocesi.
Secondo la tradizione, inizialmente la cattedrale era intitolata a San Martino, fu sotto la dominazione longobarda che fu poi intitolata a San Zeno. La cattedrale presenta una facciata in stile romanico sul modello di altre chiese presenti nella città costruite alla stessa epoca (San Bartolomeo e Sant'Andrea). Sulle due estremità della cuspide della facciata sono poste le due statue marmoree dei santi patroni, San Zeno e San Jacopo, un tempo collocate nel loggiato.

L'edificio, con campanile e battistero, ha interno a tre navate con presbiterio rialzato e cripta, ed è stato costruito probabilmente nel X secolo. Nel corso del tempo ha subìto diversi rimaneggiamenti ed è stato riportato alle forme primitive da un restauro avvenuto tra il 1952 e il 1966, completato nel 1999.
Nel dicembre del 1965 papa Paolo VI l'ha elevata alla dignità di basilica minore.

È possibile che già dal V secolo esistesse una chiesa cattedrale (di dimensioni minori) a Pistoia. Già all'epoca, infatti, la città aveva un proprio vescovo. Tuttavia non si sa ancora quale fosse la sua ubicazione, se nello stesso luogo dell'attuale o sul luogo ove ora sorge la pieve di Sant'Andrea, oppure nella zona in cui venne edificato il complesso monastico di San Pier Maggiore (Memoreto), in considerazione della consuetudine di costruire la cattedrale in prossimità del cimitero (memoretum).

La prima attestazione scritta della cattedrale risale al 923, quando in un atto notarile del conte Cunerad di Teudicio venne citata una Ecclesia SS.Zenonis, Rufinis et Felicis. Nel 998 inoltre un diploma di Ottone III citò un edificio paleocristiano situato tra la via "regia" (cioè tra piazza del Duomo, via Stracceria e via degli Orafi) e la torre di guardia. Nel 1108 la chiesa fu danneggiata da un incendio e probabilmente ricostruita nei primi decenni del XII secolo. Risale al 1145 infatti la consacrazione dell'altare dedicato a san Jacopo da parte del vescovo Atto.
Nel 1202 un altro incendio danneggiò la cattedrale. Tra il 1274 e il 1275 le navate laterali furono coperte da volte (il che fa pensare che prima dovessero avere una copertura a capriate lignee). Nel 1298 l'edificio subì alcuni danni dovuti ad un terremoto e nel 1336 circa venne sistemata sulla facciata la statua di San Zeno vescovo, opera di Jacopo di Mazzeo.

Tra il 1379 e il 1449 la facciata fu rimaneggiata con l'aggiunta di tre ordini di logge e di un portico; nel 1504 ad Andrea della Robbia fu commissionata la decorazione dell'archivolto, a festone vegetale con al centro lo stemma dell'Opera di San Jacopo, e quella a lacunari di color azzurro con rosoni dorati che rivestono la volta centrale del portico, nonché la lunetta a bassorilievo sulla porta centrale raffigurante la Madonna col Bambino e Angeli, opere che egli portò a termine nel 1505.

Tra il 1598 e il 1614 il coro medievale fu demolito, le cappelle poste in testa alle navate laterali vennero modificate e al posto della primitiva abside fu costruita una tribuna barocca sormontata da cupola su progetto di Jacopo Lafri; la navata centrale fu coperta da nuove volte a crociera. Si procedette inoltre alla decorazione del soffitto della tribuna e furono eseguiti i dipinti su tavola sulle pareti della tribuna e nella cappella maggiore. Nel 1721 fu posta in facciata la statua di San Jacopo, opera di Andrea Vaccà e nel 1786 la Cappella di sant'Jacopo fu demolita.

Tra il 1834 e il 1837 il presbiterio fu trasformato secondo il nuovo gusto neoclassico da Giovanni Gambini. Tra il 1952 e il 1966 la Soprintendenza ai Monumenti mise in atto un restauro dell'edificio rimuovendo le 5 grandi volte a crociera della navata centrale (risalenti al 1657), che nascondevano il tetto ligneo policromo del 1388, e gli intonaci ottocenteschi in gesso aggiunti nel 1838-1839 dal Gambini. Si presume che durante la rimozione di quegli intonaci sia stato distrutto un pregevole ciclo di affreschi di cui rimangono ancora vaghe tracce. Furono chiuse le finestre seicentesche e ripristinate le monofore e le bifore medioevali. Nel 1999 è stato realizzato il restauro della facciata e del campanile.

La cattedrale ha il piano del presbiterio rialzato sopra la cripta e tre navate suddivise da colonne, con copertura a capriate in legno nella navata centrale e a volta in quelle laterali.
La navata destra originariamente era occupata dalla Cappella di san Jacopo, eretta dal vescovo Atto alla metà del XII secolo per depositarvi la reliquia di san Giacomo portata da Santiago di Compostela. In origine la cappella, che oggi non esiste più, custodiva l'altare d'argento, oggi spostato nella Cappella del Crocifisso.

La cappella, che ospita il tabernacolo, prende nome di San Donato dal dipinto di Lorenzo di Credi Madonna in trono fra i santi Giovanni Battista e Donato (1474-1486), posto sulla parete destra. Il dipinto era stato in origine commissionato ad Andrea del Verrocchio dagli esecutori testamentari di Donato de' Medici. La tela, lasciata incompiuta dal Verrocchio, venne portata a termine dal suo allievi. Il vescovo a lato della Madonna è stato identificato anche come san Zeno.

Al centro si trova Assunzione della Vergine di Giovan Battista Paggi (1590-1600), mentre all'entrata della cappella è posta la lastra tombale marmorea del vescovo Donato de' Medici (1475), attribuita ad Antonio Rossellino.
La cappella ospita l'urna di sant'Atto (1952) di Cleto Lapi. Il gradino d'argento su cui è posta l'urna, datato 1855, fu realizzato da Silvestro Mariotti da Pontedera. Sopra l'urna è il dipinto i Santi Baronto e Desiderio di Mattia Preti, di data posteriore al 1645.

Contiene l'altare di San Jacopo, in lamina d'argento a sbalzo, di Andrea di Jacopo di Ognibene che era in origine posto nella cappella omonima situata nelle prime due campate della navata destra. Dopo la demolizione della cappella di San Iacopo, nel 1785 per ordine del vescovo Scipione de' Ricci venne trasferito nella cappella di San Rocco e quindi, dal 1953, nella Cappella del Crocifisso. L'altare, consacrato nel 1399, consta di tre paliotti e di una pala posta sopra la mensa.

Fu iniziato nel 1287, quando ad Andrea di Jacopo d'Ognabene venne commissionato un dossale con una Madonna col Bambino fra angeli ed apostoli per l'altare della cappella. L'artista eseguì anche il paliotto anteriore (con Storie del Nuovo Testamento, un Cristo in Maestà fra Maria e San Jacopo e tre Storie di San Jacopo), che venne terminato nel 1316. Giglio Pisano eseguì la grande statua argentea a tutto tondo raffigurante San Jacopo in trono (1349-1353), commissionata per ringraziamento per la fine della grande pestilenza del 1348.
Leonardo di Ser Giovanni e Francesco Niccolai eseguirono i due paliotti laterali con Storie dell'Antico Testamento e Storie di San Jacopo fra il 1361 ed il 1371.

Gli Apostoli, santa Eulalia, il vescovo Atto, san Giovanni Battista e Maria Salomé sono opera di Piero d'Arrigo Tedesco (1380-1390); il Cristo in Maestà, Sant'Antonio Abate, Santo Stefano e la cuspide di Nofri di Buto e Atto di Piero Braccini (1394-1398), su cartone di Giovanni di Bartolomeo Cristiani.
Nel 1400-1401 vi lavorò la bottega di Lunardo di Mazzeo e Piero di Giovanni, tra cui c'era il giovane Filippo Brunelleschi che scolpì, si pensa, un lato del dossale con due santi (Sant'Agostino e Evangelista seduto) e due mezzi busti di Profeti (Geremia e forse Isaia). Gli altri lati del dossale vennero decorati da Piero d'Antonio da Pisa (Profeti Daniele e David e Santi Giusto, Ambrogio e Leonardo, 1447-1456) e da Domenico da Imola.

La cappella contiene frammenti di un affresco che rappresenta il Giudizio Universale dovuto a Giovanni da Ponte (1420-1425) sul parete prontale, e frammenti di un affresco dantesco sul parete laterale.

La cripta al di sotto del presbiterio esisteva già all'interno dell'edificio romanico. Originariamente era scandita da una serie di colonne ed aveva tre absidi. Con la costruzione della tribuna barocca il vano centrale fu distrutto e quelli laterali interrati.

Durante il restauro degli anni sessanta sono stati ritrovati due capitelli, dei frammenti di colonna, dei frammenti di affreschi del XII secolo, le fondamenta dell'absidiola meridionale del coro romanico e due lastre marmoree della fine del XII secolo.

Sulla controfacciata della cattedrale, a destra dell'ingresso centrale, vi è l'arca di Sant'Atto, con tre bassorilievi in marmo eseguiti nel 1337 dalla bottega di Giovanni di Agostino da Siena (Sant'Atto benedicente fra due angeli; Pellegrini che ricevono a Compostella le reliquie di San Jacopo; Pellegrini che consegnano le reliquie di San Jacopo a Sant'Atto). L'edicola, la lapide, l'iscrizione in latino e il paliotto di marmi e madreperla sono invece opera di Leonardo Marcacci e datati 1786.

Nel 1337 il corpo di Sant'Atto fu rinvenuto nella chiesa di San Giovanni in Corte e venne traslato nell'arca, dove rimase dal 1337 al 1786 per essere poi trasferito nella cappella alla destra dell'altare maggiore.
A sinistra dell'ingresso centrale è posto il fonte battesimale di Andrea Ferrucci da Fiesole e Jacopo del Mazza su disegno di Benedetto da Maiano. L'opera, del 1497, è circondata da un'edicola al cui interno è scolpito il Battesimo di Cristo. Ai lati si trovano la Nascita di san Giovanni Battista, Predicazione nel deserto, Danza di Salomè e Decollazione.

Sopra l'ingresso centrale è l'affresco della lunetta del portale che rappresenta San Zeno, di autore ignoto del XIII secolo; vicino all'ingresso laterale destro sono presenti affreschi con figure di Virtù (1347) di Bonaccorso di Cino e presso l'ingresso laterale sinistro è collocata la tomba del vescovo Baronto Ricciardi, di autore ignoto del XIV secolo.

Nella navata destra della cattedrale sono presenti le seguenti opere:Trittico con Crocifissione tra la Madonna, san Giovanni ed i santi Jacopo e Girolamo (1424) di autore ignoto,Copia dell'Annunciazione della Santissima Annunziata di Firenze di Domenico Cresti detto il Passignano, Crocifisso su tavola realizzato nel 1274 da Coppo di Marcovaldo e dal figlio Salerno. Ai lati sono rappresentati sei episodi della vita di Cristo (Cattura di Gesù, Cristo davanti ai sacerdoti, Flagellazione, Deposizione dalla croce, Deposizione di Gesù nel sepolcro, Le tre Marie al sepolcro),Monumento sepolcrale di Cino Sinibuldi da Pistoia (1337) attribuito ad Agostino di Giovanni.La navata sinistra presenta:Monumento al cardinale Niccolò Forteguerri, commissionato ad Andrea del Verrocchio dal Consiglio Generale di Pistoia nel 1473. Dopo la morte del Verrocchio (1488), Lorenzo Lotti detto il Lorenzetto viene incaricato di terminare il monumento: egli scolpisce la statua della Carità. Successivamente, nel 1753, viene realizzata da Gaetano Masoni l'incorniciatura del monumento, la cassa con il busto del defunto e i due geni con le fiaccole rovesciate, Madonna delle Porrine, affresco di autore ignoto del XIV secolo,Statua di Papa Leone XI (al secolo Alessandro De' Medici, vescovo di Pistoia nel 1573), eseguita da autore ignoto nel 1618,Tomba del vescovo Federico Alamanni (1776), di autore ignoto, Martirio di San Bartolomeo, dipinto di autore ignoto del XVII secolo.La volta del presbiterio, dietro l'altare maggiore, è decorata da affreschi di Domenico Cresti, detto il Passignano con il Padre Eterno in gloria, Caduta degli angeli ribelli, Caduta di Adamo e Annunciazione (1602).
Nell'abside è il dipinto di Cristofano Allori della Resurrezione (1606-1610), a fianco della quale sono due statue in argilla argentata di San Zeno e San Jacopo (1603) attribuite alla scuola del Giambologna. A destra dell'altare maggiore è il dipinto della Pentecoste (1602), di Gregorio Pagani; a sinistra vi è il dipinto di Benedetto Veli con l'Ascensione (1606).

A sinistra, su un pilastro della navata centrale è l'affresco della Madonna col Bambino di Salerno di Coppo (1275). A destra vi è un candelabro in bronzo del 1442, opera di Maso di Bartolomeo. Sempre nel presbiterio, in corrispondenza della navata sinistra, vi è il cenotafio del vescovo Gherardo Gherardi (1703) di autore ignoto. In corrispondenza della navata destra si trova la tomba del vescovo Alessandro Del Caccia (1650) e il monumento sepolcrale del vescovo Leone Strozzi (1695), entrambe di autore ignoto.

Sulla navata centrale, a destra, pulpito realizzato su disegno di Giorgio Vasari (1560) e, vicino all'ingresso laterale destro, un'acquasantiera con i busti degli Apostoli Pietro, Paolo, Giovanni e Giacomo attribuita alla bottega di Nicola Pisano, che una volta faceva parte della Cappella di San Jacopo.

Ai due lati del presbiterio, sopra gli stalli lignei del coro del canonici e subito dietro l'altar maggiore, si trova l'organo a canne della cattedrale. Lo strumento, costruito dalla ditta Costamagna nel 1969, è a trasmissione elettropneumatica ed ha tre manuali di 61 note ciascuna ed una pedaliera di 32. Di seguito, la sua disposizione fonica:Nella cattedrale si trova anche un organo costruito nel 1793 da Luigi e Benedetto Tronci a trasmissione integralmente meccanica.