A menção mais antiga da catedral data de 748, embora deva ter havido uma igreja de um bispo mais velho, já que um bispo é conhecido em Pisa a partir de 313 dC.A recente investigação arqueológica revelou os restos de um grande edifício eclesiástico, mais cedo que a Catedral Românica, mas datada do século X, portanto, não o edifício mencionado nos documentos de Longobard.

A catedral românica em Piazza dei Miracoli foi fundada em 1064. A tradição relata que isso foi logo após a vitória de Pisa sobre a cidade de Palermo.Até que o trabalho de 1100 fosse dirigido pelo arquiteto Buscheto, mas para os estágios finais, quando a nave foi prolongada e a fachada foi construída, o novo Magister era Rainaldo.Em 1118, a catedral foi consagrada pelo Papa Gelasio II, provavelmente antes da conclusão.

A igreja é construída na forma de uma cruz latina, com uma nave central terminando em uma abside, quatro corredores e um transepto.Uma característica específica das paredes externas, construídas a partir de mármore de várias localidades, é a quantidade de material reutilizado, com elementos e inscrições arquitetônicas dos tempos romanos.As paredes norte e sul são construídas em diferentes tipos de pedra, correspondentes ao trabalho sob Buscheto e conclusão sob Rainaldo.

A parte inferior da fachada é dividida por seis arcos mortos redondos que repousam em colunas e capitais.As duas colunas centrais que flanqueiam a porta principal são esculpidas com espirais de folhagem.Os rhombs sob os arcos e os espaços acima deles são decorados com incrustações de policroma.Acima, a fachada é organizada em quatro níveis de colunatas, muitas colunas foram substituídas nos anos 1500 e 1800.A esculpida Freize acima da primeira galeria, de cenas de caça, pode ser atribuída à oficina de Guglielmo e Rainaldo.

As portas de bronze da fachada foram lançadas por vários artistas florentinos no século XVII, mas a porta de San Ranieri nos fundos, de frente para a torre, foi lançada por volta de 1180 por Bonanno Pisano, a única porta para sobreviver ao fogoEm 1595.
A nave central é ladeada por pilares de granito monolítico com capitais do século 11 e 12.Uma galeria feminina corre acima, com aberturas triplas e mulas que continuam ao redor do transepto.A cúpula elipta, com um afresco da Virgem em Glória e Saintsby Orazio Riminaldi (1627-1628) segue a extensão central.O alojamento dourado sobre a nave, o transepto e o presbitério foi esculpido por Domenico e Bartolomeo Atticciati entre 1596 e 1602.

Quatorze janelas do século XV acendem as paredes da nave, decoradas com histórias do antigo testamento.
Pelo transepto Pilaster é o esplêndido púlpito de Giovanni Pisano (1302-1310).É de forma octogonal, com nove Plutei ou painéis esculpidos com histórias da vida de Cristo e da Virgem e do último julgamento, descansando em bordas com profetas e Sybils e capitais esculpidos e estátuas que simbolizam as virtudes da Igreja.Também é admirável o grande mosaico da abside, de Cristo abençoando com a Virgem e o Evangelista de São João, o trabalho de Francesco e Lapo, com o rosto de St. John concluído por Cimabue em 1302. Entre as obras medievais estão a Madonna do século XIII.Di Sotto Gli Organi, atribuído a Berlinghiero Berlinghieri de Volterra, um afresco da Madonna e da criança do Maestro de San Torpè, no arco triunfal e no piso de Márbndo Cosmatesco (meados do século XII).

Existem muitos afrescos valiosos, pinturas e móveis do século XVI e XVII nos altares laterais e no presbitério.