Secondo la tradizione, inizialmente la cattedrale era intitolata a San Martino, fu sotto la dominazione longobarda che fu poi intitolata a San Zeno. La cattedrale presenta una facciata in stile romanico sul modello di altre chiese presenti nella città costruite alla stessa epoca (San Bartolomeo e Sant'Andrea). Sulle due estremità della cuspide della facciata sono poste le due statue marmoree dei santi patroni, San Zeno e San Jacopo, un tempo collocate nel loggiato.

L'edificio, con campanile e battistero, ha interno a tre navate con presbiterio rialzato e cripta, ed è stato costruito probabilmente nel X secolo. Nel corso del tempo ha subìto diversi rimaneggiamenti ed è stato riportato alle forme primitive da un restauro avvenuto tra il 1952 e il 1966, completato nel 1999.

La Cappella del Crocifisso contiene l'altare di San Jacopo, in lamina d'argento a sbalzo, di Andrea di Jacopo di Ognibene che era in origine posto nella cappella omonima situata nelle prime due campate della navata destra. Dopo la demolizione della cappella di San Iacopo, nel 1785 per ordine del vescovo Scipione de' Ricci venne trasferito nella cappella di San Rocco e quindi, dal 1953, nella Cappella del Crocifisso. L'altare, consacrato nel 1399, consta di tre paliotti e di una pala posta sopra la mensa.

Fu iniziato nel 1287, quando ad Andrea di Jacopo d'Ognabene venne commissionato un dossale con una Madonna col Bambino fra angeli ed apostoli per l'altare della cappella. L'artista eseguì anche il paliotto anteriore (con Storie del Nuovo Testamento, un Cristo in Maestà fra Maria e San Jacopo e tre Storie di San Jacopo), che venne terminato nel 1316. Giglio Pisano eseguì la grande statua argentea a tutto tondo raffigurante San Jacopo in trono (1349-1353), commissionata per ringraziamento per la fine della grande pestilenza del 1348. Leonardo di Ser Giovanni e Francesco Niccolai eseguirono i due paliotti laterali con Storie dell'Antico Testamento e Storie di San Jacopo fra il 1361 ed il 1371.

Gli Apostoli, santa Eulalia, il vescovo Atto, san Giovanni Battista e Maria Salomé sono opera di Piero d'Arrigo Tedesco (1380-1390); il Cristo in Maestà, Sant'Antonio Abate, Santo Stefano e la cuspide di Nofri di Buto e Atto di Piero Braccini (1394-1398), su cartone di Giovanni di Bartolomeo Cristiani.

Nel 1400-1401 vi lavorò la bottega di Lunardo di Mazzeo e Piero di Giovanni da Pistoia, tra cui c'era il giovane Filippo Brunelleschi che scolpì, si pensa, un lato del dossale con due santi (Sant'Agostino e Evangelista seduto) e due mezzi busti di Profeti (Geremia e forse Isaia). Gli altri lati del dossale vennero decorati da Piero d'Antonio da Pisa (Profeti Daniele e David e Santi Giusto, Ambrogio e Leonardo, 1447-1456) e da Domenico da Imola.