La Collegiata fu costruita utilizzando il marmo come cassaforma a perdere (contenente muratura informe di pietra) con superficie in vista lavorata a scalpello (seguendo la tecnica romana continuata poi nel romanico) e fu in seguito rimaneggiato ed ampliato con elementi di stile gotico. La primitiva chiesa romanica fu infatti allungata, in epoca tardo medievale, dal lato opposto dell'abside.

La pianta è rettangolare con tre navate e abside semicircolare. La facciata, realizzata nella seconda metà del Trecento, è caratterizzata da una bicromia (fasce di marmo bianco lunense e nero di Colonnata) tipica delle chiese pisane. Il portale principale della facciata è incorniciato da un archivolto decorato da raffigurazioni tratte dai bestiari, ed è sormontato da un grande ed elegante rosone gotico composto da colonnine radiali, una diversa dall'altra, che partono dal mozzo della ruota architettonica.

L’interno del Duomo, molto suggestivo, presenta opere di notevole pregio artistico, come ad esempio il gruppo scultoreo dell’Annunciazione (XIV secolo), comunemente noto come “Le Cassanelle”, in stile gotico francese.