Secondo la tradizione, il duomo fu fondato da San Frediano nel VI secolo, poi riedificato da Anselmo da Baggio, vescovo della città, nel 1060 ed infine rimaneggiato tra il XII e il XIII secolo.
Alla facciata è addossato il portico-nartece aperto sulla piazza da tre grandi arcate di cui una più stretta per la vicinanza del preesistente campanile. Guidetto e i suoi collaboratori misero in opera bassorilievi con martirio di san Regolo raffigurato nella lunetta posta sopra l'ingresso della navata destra, un ciclo dei mesi e storie di San Martino; nella lunetta e nell'architrave dell'ingresso alla navata sinistra fu infine collocata la straordinaria Deposizione di Nicola Pisano, una delle opere più all'avanguardia del tempo (1260 circa).
Il porticato era spesso occupato da banchi di cambiavalute che trafficavano coi numerosi pellegrini che passavano da Lucca, una delle principali tappe sul percorso della Via Francigena. Una iscrizione monumentale ricorda ai cambiavalute l'impegno assunto a non frodare i clienti e invita questi ultimi a fidarsi della protezione del clero della cattedrale e di San Martino. Sull'altro lato della porta sinistra si trova una riproduzione della originale lapide con la datazione della cattedrale.
Su una delle pietre del pilastro addossato alla base del campanile si trova scolpito un labirinto affiancato da un'iscrizione che ricorda il mito di Teseo e Arianna. Il genere di labirinto, per la similitudine con quello maestoso sul pavimento della Cattedrale di Chartres e l'affresco recentemente scoperto in Alatri (FR), ha fatto pensare ad una classe di opere artistiche dovute ai templari.
L'interno della cattedrale è a croce latina, con aula divisa in tre navate con le due laterali sormontati da matronei con trifore gotiche e la centrale terminante con un'abside semicircolare illuminata da tre grandi monofore romaniche; l'abside è interamente occupata dal presbiterio, al centro del quale si trova l'altare maggiore in marmi policromi. Il transetto, della medesima altezza della navata centrale, è a sua volta suddiviso in due navate, ma è privo di matroneo. In generale l'aspetto dell'interno è caratterizzato da un marcato verticalismo, anche in virtù della notevole differenza di altezza tra la navata centrale e le laterali. Queste forme francamente gotiche, pur moderate dall'uso degli archi a tutto sesto, fanno dell'interno della cattedrale di Lucca un esempio abbastanza raro nell'architettura italiana. Nella cattedrale è custodita la Madonna in trono col Bambino e santi, opera di Domenico Ghirlandaio, che la dipinse intorno al 1479.
In un locale presso la sacrestia si trova il monumento funebre a Ilaria del Carretto, realizzato dallo scultore Jacopo della Quercia tra il 1406 ed il 1408. Esso raffigura la nobildonna lucchese, moglie di Paolo Guinigi, alla quale, morta di parto molto giovane, fu dedicato il sarcofago marmoreo. Il sarcofago raffigura la ragazza in posa dormiente, riccamente abbigliata e giacente su un catafalco decorato con putti reggifestone. Ai piedi della ragazza giace un cagnolino, simbolo della fedeltà coniugale.
