Nell'area dove oggi sorge la Cattedrale si trovava in origine la chiesa altomedioevale di S. Pietro Maggiore. Nel 1203 fu deciso di trasferire il Duomo, la Canonica e la residenza vescovile all'interno delle mura cittadine. A tale scopo fu acquistata la chiesa di S. Pietro maggiore perché venisse abbattuta e al suo posto fosse eretta la nuova Cattedrale. I lavori iniziarono nel 1278. Nel 1289 anno della sconfitta di Campaldino il Duomo era solo alla metà della costruzione così il corpo del vescovo Tarlati dovette essere seppellito a Poppi nella chiesa di Certomondo. Durante la prima metà del '300 venne costruita la terza campata ed iniziata la porta laterale su cui è visibile lo stemma dei Tarlati. Nel 1380 viene ultimata la porta laterale fino all'interruzione dei lavori (1384) a causa della dominazione fiorentina. Nel 1471 furono ripresi i lavori di costruzione ultimati nel 1511. Il campanile risale alla metà dell' 800 mentre il rivestimento della facciata ai primi anni del '900. La pianta della cattedrale si presenta a tre navate, priva di transetto; i pilastri a fascio sostengono le volte a crociera; con cinque sono le campate. La struttura rappresenta un capolavoro dell'arte gotica, con estrema sobrietà e purezza di linee. Internamente si possono ammirare le vetrate istoriate di Guglielmo de Marcillat eseguite tra il 1519 e il 1524. Nella Cattedrale si trova il monumento sepolcrale di Gregorio X risalente circa al 1320 - 1330; la Cappella marmorea di Ciuccio Tarlati eseguita da un importante scultore senese del Trecento, Giovanni d'Agostino. Tre elementi compongono l'altar maggiore: l'altare in pietra poggiante su quattro pareti dello stesso materiale decorato, risalente alla seconda metà del Duecento; la pala marmorea della seconda metà del Trecento, coeva all'arca di S. Donato, (rovinata nel 1800 dai soldati francesi). Il disegno del 1554 del coro ligneo è di G.Vasari. Vicino alla sacrestia troviamo un'opera di Piero della Francesca: l'affresco con la Maddalena eseguito nel 1459. Le prime tre volte, della navata centrale, sono state dipinta dal Marcillat, mentre le altre a partire dal 1661 sono opera di Salvi Castellucci. La Cappella della Madonna del Conforto (1796 -1817) è a tre navate con abside e cupola, disegnata dal fiorentino Giuseppe del Rosso presenta uno stile neoclassico.