La Cattedrale è una delle più antiche chiese di Prato. Testimoniata già a partire dal X secolo come pieve di Santo Stefano, ma esistente almeno dal VI secolo era la chiesa principale di Borgo al Cornio, il primitivo insediamento pratese. Ristrutturata dal X al XV secolo.

La facciata a salienti tardo gotica (1386-1457) opera di Niccolò di Piero Lamberti detto il Pela è costruita in Pietra alberese e marmo verde di Prato a rendere la caratteristica bicromia bianco-verde. Presenta un solo portale ed un orologio al posto del rosone.

Fu edificata a ridosso, ma non adiacente, alla vecchia: nello spazio rimasto è stato realizzato un corridoio che porta al pulpito esterno, costruito da Michelozzo e decorato da Donatello, fra il 1428 e il 1438. Il pulpito fu creato per l'ostensione pubblica dell'importante reliquia della Sacra Cintola della Madonna, che ancora oggi si mostra per Natale, Pasqua, il 1º maggio, il 15 agosto e, nelle forme più solenni, l'8 settembre, festa della Natività di Maria. Sulla lunetta sopra la porta principale venne posta una terracotta invetriata di Andrea della Robbia, raffigurante la Madonna fra i Santi Stefano e Giovanni (protettori rispettivamente di Prato e di Firenze).

Sul fianco destro, ristrutturato intorno al 1160, sono due portali arricchiti da intarsi (con simboli non ancora decodificati) e lo slanciato campanile a torre dei primi del Duecento (progettato dal maestro Guidetto), che in origine fungeva da cavalcavia. Alleggerito da bifore che divengono molto ampie nel penultimo ordine, è concluso da una aerea cella gotica a grandi trifore, aggiunta nel Trecento, come il compatto blocco in pietra alberese del transetto, che si appoggia al campanile.

L'interno è a pianta a croce latina e, malgrado i numerosi interventi, presenta un aspetto complessivamente unitario; le tre navate romaniche, del primo Duecento, sono divise da ampie arcate su preziose colonne in serpentino verde con raffinati capitelli, attribuite a Guidetto da Como. Sopra le arcate le pareti riprendono l'alternanza del colore nelle fasce di alberese e marmo verde. La volta della navata centrale è a botte lunettata ed è stata realizzata nel XVII secolo su progetto di Ferdinando Tacca; coeve sono le barocche cornici interne delle finestre.

Sotto la penultima arcata tra la navata centrale e la navata laterale di sinistra, si innalza l'elegante pulpito rinascimentale in marmo bianco (1469-1473), dall'esile forma a calice, con base arricchita da sfingi, realizzate da Maso di Bartolomeo e da Pasquino da Montepulciano. Il parapetto ha pregevolissimi rilievi di un pittoricismo vibrante, opera di Antonio Rossellino e Mino da Fiesole, con l'Assunta, Storie di Santo Stefano e Storie del Battista. Lo fronteggia, nella navata opposta, un bellissimo candelabro in bronzo di Maso di Bartolomeo, del 1440, in forma di vaso allungato dal quale escono sette carnosi steli vegetali. Maso realizzò anche il vicino terrazzo interno, in controfacciata, che ha sul fondo una pregevole Assunta di David e Ridolfo del Ghirlandaio.

Di fronte alla Cappella del Sacro Cingolo è un piccolo Crocifisso ligneo di forte espressività, è molto probabilmente l'opera nota di Giovanni Pisano. Le pareti della cappella maggiore sono affrescate con Storie di Santo Stefano e San Giovanni Battista, concluse nel 1465, il più celebre ciclo di fra Filippo Lippi.