La fondazione del Duomo è collegata ad una delle imprese più gloriose della repubblica pisana: la conquista di Palermo, nel 1053. Come indica un’iscrizione, parte del bottino servì appunto all'edificazione del Santuario. Il grandioso edificio fu costruito sui resti di una basilica del IV, dedicata a Santa Reparata in Palude, a sua volta eretta sopra le antiche terme di Adriano. Col passare del tempo, fu inevitabile qualche cedimento del terreno sotto il Duomo ed il Campanile.
I lavori di costruzione iniziarono ne1 1063 e proseguirono speditamente, sotto la guida del progettista Buscheto. Dopo la morte di quest’ultimo, i lavori furono condotti dal suo allievo Rainaldus e terminarono nel 1100, meno di quarant’anni dopo la posa della prima pietra. Il Duomo fu consacrato nel 1118, da papa Gelasio II, e dedicato a Santa Maria Assunta.
Il Duomo è uno dei massimi capolavori dell’architettura romanica. Ha forma di croce latina ed è diviso in cinque navate con una cupola, non illuminata, sul transetto. E’ lungo circa 95 metri e largo 32 metri e mezzo; l'altezza della navata centrale supera di poco i 33 metri. La facciata è divisa in cinque piani, sostenuti da sessantotto colonne; il primo piano disegna sette finte arcate, in tre delle quali sono aperte altrettante porte che formano come due frontoni sovrapposti: si compongono d'una serie d'archi a tutto sesto, sostenuti da colonnette, Lo stesso sistema di finte arcate costituisce la struttura dei fianchi dell'edificio e del transetto; solo i piani superiori sono forati da finestre.
All'interno il Duomo è ricco di pregevolissime opere d'arte. Si ritiene che i dodici altari siano stati disegnati da Michelangelo. L'altar maggiore e la balaustrata del coro in marmo tempestato di lapislazzuli risalgono al 1774. Le due statue ed il bel crocefisso bronzeo sono opera del Giambologna. L'intarsiatura dei sedili del coro è stupenda. Ai lati delle due cattedre lignee, son poste quattro bellissime tavole dipinte da Andrea del Sarto. Gli angioli in campo d'oro del grand'arco sono del Ghirlandaio e dei grandi e stupendi dipinti delle pareti, parecchi sono del Beccafumi e del Gamberucci. Giovanni Pisano ha scolpito il meraviglioso bassorilievo del Giudizio universale. Il pavimento del Duomo è ricoperto di lastre di marmo bianco con liste cerulee; mirabile è quello sotto la cupola, tutto a musaico spartito di porfido granito e serpentino. La cupola, la cui sommità supera in altezza i 51 metri, è dipinta ad olio da Orazio Riminaldi e da Michele Cinganelli.
Si possono inoltre ammirare: la Madonna delle Grazie di Andrea Del Sarto e Antonio Sogliano, il San Giovanni Battista del Cimabue, il Pulpito di Giovanni Pisano, il Mosaico rappresentante la Vergine e San Giovanni Evangelista di Francesco da Pisa, i Mosaici dell'Annunciazione e dell'Assunzione di Francesco Traini, il Monumento sepolcrale di Tino di Camaino, la Tomba-altare di San Ranieri di Tino di Camaino, i Monumenti funebri dei Vescovi Scherlatti e Moricotti di Nino Pisano.
