Auf der Piazza Palazzo, in der Altstadt von Cagliari, befindet sich die Kathedrale, gewidmet der Heiligen S. Maria. Im XIII. Jahrhundert wurde das Gebäude von den Pisanern errichtet, genau an der Stelle, wo vorher die Kirche S. Cecilia stand. Im Laufe der Jahrhunderte erfuhr sie eine Reihe bemerkenswerter Veränderungen, zu sehen besonders an der Fassade. Der anfänglich romanisch-pisanische Stil wurde 1702, mit eingefügten barocken Elementen verändert. 1933, während des Versuchs, die antike, mittelalterliche Fassade wieder ans Licht zu bringen, wurden diese Elemente mit anderen, neoromanischen, ersetzt, die auch heute noch die aktuelle Fassade schmückt. Vom ersten Bau sind noch erhalten: der Glockenturm, die Portale des Querschiffes, die Trägerbalken des Hauptportals und einige Bruchstückchen von Bildhauereien. Der Hauptteil der Einrichtung und der inneren Verzierungen sind jedoch in barockem Stil.
Die Kirche ist Form eines Kreuzes gebaut, mit drei Schiffen und einem Querschiff (transetto); der Innenbereich des Altares (Presbyterium) ist erhöht und von einer Balustrade aus Marmor abgeschlossen.
Hier befindet sich der Triptychon von Clemente VII., wahrscheinlich von flämischer Schule.
Bei den seitlichen Kapellen befindet sich in der zweiten von rechts eine interessante hölzerne Statue, eine Madonna mit Kind (auch Madonna Nera), aus dem XIV. Jahrhundert. Im linken Querschiff findet man ein stattliches Mausoleum des siebzehnten Jahrhunderts, welches Martino il Giovane gewidmet wurde, einem jungen aragonischen Prinzen, der 1409 in Cagliari an Malaria starb.
Zwischen den ältesten Werken, ist eine Kanzel zu erwähnen, ein Werk von Guglielmo aus Pisa, erbaut um 1160 für die pisanische Kathedrale und 1312 der Kathedrale von Cagliari geschenkt. Unter dem Altar (Presbyterium) gelangt man zum in den Felsen gegrabenen Heiligtum, den vermutlichen Reliquien der christlichen Märtyrer, gefunden in der Basilica di S. Saturno in Cagliari.
Sehr eindrucksvoll sind die Verzierungen der Hauptkapelle, die gut 584 verschiedene Rosetten in barockem Stil zeigen. Auf Anfrage kann die Sacrstia dei Beneficiati (Sakristei der Begünstigten), die Ratsaula und das Kapitel-Museum, die an die Kirche angrenzen, besucht werden. Im Kapitel-Museum befindet sich der Schatz des Münsters (Tesoro del Duomo). Er besteht aus heiligen Messornaten, handgefertigten Schmuckstücken, die aus dem XV. bis XIX. Jahrhundert stammen.