La Cattedrale è lunga m. 35 sino al coro, larga m. 34 nei transetti e alta m. 32 nella cupola.

Costruita in forme gotico-romaniche, fu poi ridotta in forme tipiche del barocco genovese, da Domenico Spotorno, con la collaborazione di scalpellini liguri (Solario e Aprile), dal 1669 al 1702. L’arcivescovo Pietro De Vico (1657-1676) comandò i lavori di restauro.

La facciata esterna è stata rifatta in forme pisano-lucchese con pietra calcare del colle di Bonaria nel 1931 dall’architetto Francesco Giarrizzo.

Gli elementi originali rimasti sono: i bracci dei transetti con i due rosoni; il portale del transetto destro; l'architrave sull'ingresso centrale, con decorazioni a foglia di acanto, la facciata interna e la torre del campanile.
All'interno, ai lati del portale centrale, due pulpiti derivati da un unico ambone (1158 - 1162), opera di Maestro Guglielmo di Innsbruck, eseguito per il Duomo di Pisa, che lo donò alla Cattedrale nel 1312; la Madonna col Bambino, scultura lignea dorata, di scuola veneta, della seconda metà del XIV, e le due cappelle gotiche del transetto del XIII con il polittico dell'Annunziata, attribuito a Michele Cavaro (1517-1584), uno dei più belli esempi di pittura locale del XV. Nella cappella del SS. Sacramento un importante pezzo di oreficeria d'argento: la lampada pensile di Giovanni Mameli (1602), uno dei primi esempi di arte barocca locale. Sotto il presbiterio, il santuario dei Martiri o cripta dell’Arcivescovo Francesco Desquivel, scavato nella roccia, con decorazioni di stucco barocche, di tipo siciliano, risalente al 1618, una sorprendente rarità nella sua originalità. Nella sacrestia, volte a crociera del XV, di tipo aragonese. Nel Museo Capitolare, era riunito il Tesoro della Cattedrale con notevoli opere fra cui una croce processionale della fine del XV e il trittico, detto di Clemente VII, opera di Roger Van der Weiden, pittore fiammingo del XIV, che un soldato spagnolo rubò dalla camera del Papa in Vaticano durante il Sacco di Roma del 1527 e che poi lasciò qui, atterrito da una tempesta che lo aveva colto nel suo viaggio di ritorno in patria, al largo della città. Il prezioso dipinto fu, infine, donato dal papa alla Cattedrale assieme a una sacra Spina della corona di Gesù.

Recentemente (1999) é stato effettuato un restauro radicale, che ha riguardato la cupola, il tetto e gli infissi, il campanile e la restituzione allo splendore originale della facciata. L’impresa Andreoli ha impegnato 60 operai per realizzare il progetto degli Ingg. Antonio Dessì e Serafino Casu e dell’Arch. Franco Virdis. Ha diretto i lavori l’Ing. Raffaele Cossu.