La cattedrale di Santa Maria Assunta è il luogo di culto cattolico principale di Volterra. L'interno, pur conservando nella struttura e nell'impianto la forma basilicale a croce latina a tre navate, offre un aspetto tardo-rinascimentale. Lo spazio è diviso da ventidue colonne rivestite di stucco simulante granito rosa, intervento eseguito nell'ambito del restauro del 1842-1843, mentre i capitelli in stucco bianco realizzati nel Cinquecento e messi a oro sono di Leonardo Ricciarelli. Anche le pareti dipinte a bande bianche e grigie, il presbiterio e il pavimento sono frutto del restauro ottocentesco.

La navata mediana e il transetto sono coperti da un grandioso soffitto a cassettoni, meraviglioso insieme di elementi geometrici, decorativi, floreali, di figure di santi, di due grandi ovali dell'Assunta e dello Spirito Santo, progettato da Francesco Capriani, intagliato da Jacopo Paolini, e messo a oro da Fulvio Tucci fra il 1580 e il 1584. Sulla linea delle navate si aprono sei cappelle, che accolgono opere di pittori del secondo Cinquecento.

Del complesso della cattedrale fa parte anche la cappella dell'Addolorata, dove sono custoditi due gruppi statuari in terracotta dipinta, attribuiti ad Andrea della Robbia: il Presepio, con l'affresco della Cavalcata dei Magi di Benozzo Gozzoli, e l'Adorazione dei Magi. Nell'attigua cappella, dedicata al Santissimo Nome di Gesù, è conservata, in un ricco reliquiario d'argento, una tavoletta con il monogramma di Cristo, che si ritiene dipinto da San Bernardino da Siena. Sulla linea della facciata, separato dalla cattedrale dalla Cappella dell'Addolorata, si erge il campanile rettangolare, con dodici bifore e quattro occhi; fu innalzato nel 1493 in sostituzione del vecchio che minacciava di rovinare.