Il Comune decise con la costruzione del Duomo di volersi creare una cattedrale degna della forza e della ricchezza della città stessa. Nel 1238 i monaci di San Galgano presero la direzione dei lavori, che furono quindi molto influenzati dalle idee costruttive provenienti da Oltralpe e già usate nelle abbazie cistercensi sparse per l’Italia.
La parte inferiore della facciata rappresenta più di tutto il resto il mix di stili romanico e gotico, con i suoi archi a tutto sesto sormontati da cuspidi. Ma è l’interno forse la parte migliore della cattedrale dove troviamo una navata di chiara ispirazione gotica con un grande slancio verticale, illuminata da finestroni a trifore.
Nel 1339 iniziò l’ampliamento del Duomo, che avrebbe dovuto utilizzare la parte già eretta come transetto di un’opera molto più grandiosa, che avrebbe superato in grandezza e bellezza la cattedrale di Firenze. La peste e alcuni problemi tecnici ne impedirono la realizzazione.
Sul pavimento del Duomo hanno lavorato alcuni artisti celebri quali il Pinturicchio e il Beccafumi ma tra tutte le opere della chiesa spicca il pergamo in marmo (1266-68) di Nicola e Giovanni Pisano.