Il cuore del complesso è la Primaziale. Fondata nel 1063 e dedicata a Santa Maria Assunta, ma inizialmente nota come Santa Maria Maggiore, è una chiesa a cinque navate col transetto a tre navate, architettonicamente è composta da tre basiliche (corpo centrale e i due transetti). 

Cominciata nel 1063 dall'architetto Busketo, ha dato origine al distintivo stile Romanico pisano. La ricchissima decorazione comprende marmi multicolori, mosaici (importantissimo quello del catino absidale, eseguito da varie maestranze fra cui Cimabue) e numerosi oggetti di bronzo provenienti dal bottino di guerra, fra cui il Grifone utilizzato come acroterio est del tetto. Gli archi a profilo acuto fanno riferimento ad influenze musulmane e del meridione d'Italia, soprattutto la seconda Abbazia di Montecassino

Le porte sulla facciata in bronzo massiccio furono fuse da vari artisti riconducibili alla scuola di Fra Domenico Portigiani nel XVII secolo. Esse vengono a sostituire le originali porte distrutte dall'incendio che devastò gran parte dell'interno della chiesa nel 1595. L'unica porta originale salvatasi è la cosiddetta Porta di San Ranieri, situata di fronte al campanile: essa venne fusa intorno al 1180 da Bonanno Pisano.

L'interno è rivestito di marmi bianchi e neri, ha un soffitto a cassettoni dorati e alcuni affreschi. Fu ampiamente ridecorato dopo l'incendio del 1595, che distrusse la maggior parte delle opere medievali; furono aggiunti allora gli altari laterali e i grandi dipinti lungo le pareti delle navate laterali.

L'impressionante mosaico absidale del 1302, del Cristo in Maestà, affiancato dalla Vergine e da San Giovanni Evangelista, generalmente attribuito a Cimabue (ma che fu autore solo del San Giovanni), sopravvisse comunque all'incendio. La cupola in legno strutturale, all'intersezione della navata e del transetto, dall'inusitato profilo ellittico, fu decorata da Riminaldi con l'Assunzione della Vergine. La leggenda vuole che Galileo abbia formulato la sua teoria sull'isocronismo del pendolo guardando l'oscillazione del lampadario per incenso che scendeva dal soffitto della navata. Il lampadario presente tutt'oggi, noto come Lampada di Galileo, non è quello che vide all'epoca lo scienziato, ma risale a qualche anno dopo. L'originale lampada, molto più piccola e semplice (e che quindi poteva oscillare col vento), è oggi presente nel Campo Santo all'interno della cappella Aulla. Le impressionanti colonne granitiche in stile corinzio fra la navata e l'abside provengono dalla moschea di Palermo, bottino della battaglia nella Cala dai Pisani nel 1063.