La chiesa è a croce latina e, nonostante le notevoli misure (m. 100 di lunghezza; m. 72 di larghezza col transetto; m. 51,36 di altezza, con le cupole) è ben proporzionata. La sua costruzione, iniziata nel 1063, riprese più volte ed è caratterizzata da due importanti fasi costruttive: giacché in origine il Duomo era più corto, fu allungato agli inizi del XII secolo. L'impianto è basilicale a cinque navate spartito da colonne monolitiche. Architetto del Duomo fu Buschetto di Giovanni che progettò e diresse i lavori dal 1063 almeno sino al 1100. L'edificio fu concepito in due diverse fasi, come ben si può osservare dai fianchi ove il diverso materiale impiegato nelle prime cinque arcate a partire dalla facciata rende manifesta la consistenza della parte di fabbrica aggiunta in un secondo momento per ingrandirne la capienza. Alla seconda fase, che gli studi più recenti tendono ad attribuire ancora a Buschetto anziché a Rainaldo, appartengono la facciata odierna e l’abside; sia dell’abside originaria che dell'antica facciata ormai non si sono conservate tracce. La decorazione sculturea delle nuovi parti aggiunte non spettò alle maestranze sottoposte a Buschetto come nei settori più antichi, ma a Rainaldo: questi interventi dovrebbero collocarsi negli anni intorno al primo ventennio del XII secolo. Probabilmente anche la seconda facciata è stata eseguita in occasione di un avvenimento solenne, forse il Concilio di Pisa del 1133-1135. Il completamento della facciata si deve a Biduino e Bonanno che operarono circa venticinque anni più tardi; un radicale restauro dell'edificio si ebbe fin dal XVI secolo dopo i danni provocati da un disastroso incendio.
