Возведение собора началось в 1080-х годах во главе с архитекторами Бускетто и Райнальдо. К этому времени город превратился в школу мастерства для художников и строителей, которые съезжались в Пизу со всей Италии с целью усовершенствовать свое искусство. Поэтому талантливых мастеров для реализации проекта было достаточно. Строительство продвигалось быстро, и к 1150 году корпус собора был завершен.
В основе собора — популярная в Древнем Риме базилика.
Беломраморный Собор — первый итальянский храм, построенный по крестообразному плану — производит большое впечатление своими внушительными размерами.
В восточной части имеется полукруглая апсида. Подобными апсидами заканчиваются трехнефные трансепты, а алтарная часть и центральный неф имеют с каждой стороны по два боковых нефа.
Западный фасад представляет собой главный акцент в наружном облике собора. Над тремя порталами поднимаются четыре яруса аркатурных галерей. Западный фасад симметричностью напоминает греческие храмы. Однако рельефы бронзовых врат на религиозные сюжеты и скульптура «Богоматерь с младенцем» у самой башни нейтрализуют языческие параллели.
Темнота интерьера контрастирует со сверкающей белизной собора снаружи. Простые колонны с резными капителями поднимаются к аркаде, в которой объединены пять соседних арок из камня контрастирующих цветов. Стены нефа благодаря кладке в виде горизонтальных полос разноцветного мрамора кажутся лишенными тяжести. К подобному приему часто прибегали тосканские мастера. Деревянное перекрытие нефа расположено довольно низко, и это создает в храме полумрак, смягчая холодность камня.
Кафедра Собора работы Джованни Пизано — шедевр пизанской скульптуры XIV века. Рельефы с эпизодами из Нового Завета, Детства и Страстей Христа, Страшного Суда были выполнены в 1302-1310 годах. Композиции отделены друг от друга фигурами Пророков и Сивилл.
Богато украшена рака с мощами Святого Раньери. Иконы Дезидерио, мозаика Пирелли и барельефы Октавиано.