La chiesa è stata edificata in tempi diversi, con la primitiva costruzione risalente a prima dell'anno 1000. Negli ampliamenti successivi si evidenziano elementi architettonici e decorativi di suggestiva bellezza che vanno dal romanico al gotico.
Il rivestimento esterno dell'attuale facciata è stato realizzato con bozze di pietra detta Alberese di Barga. La porta maggiore è sovrastata da un arco scolpito a foglie di acanto. con un architrave a bassorilievo, raffigurante una scena vendemmiale. La porta è fiancheggiata da due colonne, alla cui sommità sono posti due leoni, che simboleggiano la forza della fede. La porta laterale, quella che guarda verso la Loggetta del Podestà, è sovrastata da un bassorilievo attribuito allo scultore romanico Biduino (XII secolo), opera di grande interesse artistico che raffigura una scena conviviale, il Miracolo dello "Scifo d'Oro" di San Nicola.
L'interno del duomo è a tre navate e presenta trasversalmente uno sbarramento marmoreo formato da lastre di marmo rosso riquadrate da marmo bianco decorato, al quale si appoggia senza soluzione di continuità il magnifico pulpito marmoreo, opera dei maestri comacini, che viene attribuito alla scuola di Guido Bigarelli da Como (XIII secolo). Il pulpito è sorretto da quattro colonne, due delle quali poggiano su due leoni i quali sovrastano: l'uno un drago l'altro un uomo. Le colonne posteriori poggiano l'una sul pavimento e l'altra sulla schiena di un vecchio curvo.
Nell'abside, alle spalle dell'altare maggiore, entro una nicchia, è collocata la statua lignea policroma di San Cristoforo, del IX secolo. Nella cappella del Santissimo Sacramento, a destra della navata centrale sopra l'altare è posta una pala in terracotta non invetriata raffigurante la Vergine e San Rocco (XVI secolo). Alle pareti laterali si può ammirare il Ciborio degli Olii Santi terracotta invetriata, attribuito ad Andrea Della Robbia e una Madonna con Bambino.
Nella cappella della Madonna, a sinistra della navata centrale, sopra un altare seicentesco si può ammirare una tavola trecentesca che rappresenta la Madonna del Molino, compatrona di Barga, inserita in un quadro del XVI secolo. Alla parete destra un Crocifisso di scuola bolognese del XV secolo.
