Un primo edificio di culto, la pieve di Santa Maria, venne edificato nel sito in cui oggi sorge il Duomo. Poi il complesso venne riedificato tra il 1294 e il 1302, dall'architetto senese Sozzo di Rustichino e rifatto in gusto rinascimentale e barocco. La facciata attuale, ottocentesca, è occupata da un ampio rosone. Conserva le sculture gotiche della prima fase costruttiva, tra cui gran parte delle sculture del rosone e i simboli dei quattro evangelisti posti sulla cornice. Il campanile fu innalzato sul fianco sinistro settentrionale solo nel 1402.

All'interno la cattedrale presenta una pianta a croce latina, a tre navate suddivise da pilastri e coperte da volte a crociera. Nel 1649 venne realizzato l'altare maggiore, rivestito in marmi colorati, progettato da Tommaso Redi, il quale venne completato dal ciborio nel 1692, ad opera di Giovanni Antonio e Francesco Mazzuoli. Nella cappella della Madonna delle Grazie, nel braccio sinistro del transetto, è ospitato il dipinto raffigurante la Vergine Assunta con angeli, realizzato intorno al 1470 dal pittore Matteo di Giovanni.