Premier des quatre monuments de la Piazza dei Miracoli (Place des Miracles), la cathédrale fut commencée en 1063. Pour sa construction, on choist le lieu où s'élevait le palais de l' Empereur Hadrien. Son premier architecte fut Buscheto de Pise.

Dans la seconde moitié du XIIe siècle, les travaux furent repris et termines par Rainaldo, qui prolongea l'église vers avant, édifiant en même temps la superbe facade. La cathédrale fut terminée en 200 ans environ.

Grande construction à cinq nefs, la cathédrale de Pise peut être considérée encore aujourd'hui comme une des belles églises de la chrétienté. Par ses dimensions exceptionnelles, la cathédrale de Pise peut être considérée comme le vivant symbole de la grande foi des anciens Pisans et celui de la puissance économique de leur République.
La civilisation romane nationale triomphe et s'identifie dans la cathédrale de Pise. Les vastes arcs arrondis romans, les légères et harmonieuses galeries d'inspiration lombarde se fondent en une insurpassable harmonie de lignes, de marbres et de couleurs.

La cathédrale est une des rares églises italiennes divisées en cinq nefs comme les anciennes basiliques romaines. Mais la grandiose forme basilicale de l'église est coupée transversalement par un nouvel élément, le transept, qui détermine la forme en croix latine. Les importantes colonnes de granit, qui soutiennent les arcs, furent rapportées de Palerme comme trophées de guerre. Elles proviennent de la principale mosquée de cette ville, qui fut détruite par les milices de la république maritime de Pise en 1063. Le plafond à caissons remplace le plafond origina détruit par l'incendie de 1595. C'est sans nul doute ur travail remarquable, mais le contraste avec les lignes simples et sévères du roman pisan est trop criant.

La coupole est décorée d'une Assomption de la Vierge, oeuvre de Riminaldi, qui mourut de la peste en 1631 sans voir son travail terminé.