Nella Piazza Palazzo, situata nel quartiere storico di Castello, si trova la Cattedrale di Cagliari, dedicata a S. Maria.
L'edificio fu innalzato dai Pisani nel XIII secolo, al posto della preesistente Chiesa di S. Cecilia, ma nei secoli ha subito notevoli trasformazioni, individuabili in particolar modo nella facciata. Questa, inizialmente in stile romanico-pisano, fu modificata nel 1702, con l'inserimento di elementi barocchi; successivamente, nel 1933, durante i lavori effettuati nel tentativo di riportare alla luce l'antica facciata medievale, questi elementi furono sostituiti da altri in stile neoromanico, che ornano la facciata attuale.
Della prima costruzione si conservano ancora: la torre campanaria, i portali del transetto, l'architrave del portale centrale ed alcuni frammenti di sculture. La maggior parte degli arredi e delle decorazioni interne sono invece in stile barocco.
La chiesa presenta una pianta a croce a tre navate attraversate da una navata trasversale (transetto); la zona interna dell'altare (presbiterio) è sopraelevata e chiusa da una balaustra in marmo. Qui si conserva il Trittico di Clemente VII, probabilmente di scuola fiamminga.
Tra le cappelle laterali, la seconda a destra ospita un interessante statua lignea raffigurante una Madonna con Bambino (o Madonna Nera), risalente al XIV secolo.
Nel transetto sinistro, risalta un imponente mausoleo seicentesco, dedicato a Martino il Giovane, principe aragonese morto di malaria a Cagliari nel 1409.
Tra le opere più antiche, da notare un pulpito, opera di Guglielmo da Pisa, costruito intorno al 1160 per la cattedrale pisana e donato alla cattedrale di Cagliari nel 1312.
Sotto il presbiterio, si accede al Santuario, scavato nella roccia, che ospita le presunte reliquie dei martiri cristiani, rinvenute nella Basilica di S.Saturno, sempre a Cagliari. Molto suggestiva la decorazione della cappella centrale, che presenta ben 584 rosoni diversi, in stile barocco.
Si possono visitare, a richiesta, anche la Sacrestia dei Beneficiati, l'aula consiliare ed il Museo Capitolare, adiacenti alla Chiesa. Nel Museo Capitolare è conservato il Tesoro del Duomo, costituito da paramenti sacri e preziosi manufatti, che vanno dal XV sino al XIX secolo.