Die Kathedrale von Lucca einst Bischofssitz ist von dem heiligen Frediano im 6. Jahrhundert erbaut worden und ist im 8.Jahrhundert zum Erzbistum geworden. Es war ein Komplex, welcher sich im heutigen San Martino Platz befand. Er bestand aus mehreren kirchlichen Gebäuden mit verschiedenen Funktionen, wie das Archiv, die Schule, das Baptisterium und die Kirche selbst. Der Bischof Anselmo da Baggio ließ es 1060 komplett neu bauen und weihte die Kathedrale 1070 als Papst Alexander II ein. Diese Basilika, die ein sehr wichtiges religiöses, wirtschaftliches und politisches Zentrum wurde, war fünfschiffig. Mit einer Krypta und hier wurde das prächtige Heilige Antlitz aufbewahrt. Das einzige auf uns überlieferte Stück von dieser Kirche aber ist die Büste von Anselmo.

Der Bau des Portikus und der Fassade war von dem Pisaner Dom stark beeinflusst. Die Bauarbeiten führte Guidetto da Como, Bildhauer und Architekt wahrscheinlich von der comaciner Schule, der bereits bei dem Bau des Pisaner Dom beschäftigt war, durch. Er hat sich selbst an der Fassade dargestellt, mit einem Pergament in der Hand, wo das Datum 1204 zu lesen ist. Hier formt sich die „zweiter Stil von Lucca“, welcher die Komplexität der Säulendekoration vertieft, die bereits an der Fassade der Kirche San Michele in Foro zu erkennen ist. In dem Portikus sind die Reliefs von Guidetto und seiner Schule zu bewundern, wie der Zyklus der Monate und die Geschichte des hleiligen Martins. Aber auch die Kreuzabnahme von Nicola Pisano. An einer Marmorplatte an der Seite der Glocke fällt ein geritztes Labyrinth auf, mit einer Inschrift, die sich auf die Mythos von Theseus und Ariadne bezieht.

In der Mitte des linken Schiffes befindet sich das „Tempelchen“ mit dem heiligen Antlitz von Lucca: ein hölzernes Kruzifix mit dem wahren Gesicht Christi, was die Legende dem Farisäer Nicodemus zuschreibt. Unter den wichtigsten Kunstwerken des Domes zählt das Letzte Abendmahl von Tintoretto und ein Gemälde von Ghirlandaio, was die Madonna mit Kind zwischen den heiligen Petrus, Clemens und Sebastian darstellt. Berühmt ist auch der fantastische Marmorsarkophag von Ilaria del Carretto, Gattin von Paolo Guinigi Stadtherr von Lucca, mit dem Werk von Jacopo della Quercia.