Dedicata all'Assunta, la cattedrale fu ricostruita intorno al 1120 su una preesistente chiesa dedicata a Santa Maria. La facciata a salienti è divisa orizzontalmente da una cornice a trecce e fiori mentre verticalmente è ripartita in tre comparti da forti lesene quadrangolari di tipo lombardo.

L'inserzione del portale marmoreo con la lunetta a tarsie geometriche, formato da materiale di sfoglio di epoca romana, è da riportarsi al XIII sec. quando tutta la fabbrica viene ingrandita e adornata, secondo il Vasari, da Nicola Pisano.

L'interno, pur conservando nella struttura e nell'impianto la forma romanica a croce latina, a tre navate, per i continui rifacimenti avvenuti nel corso dei secoli, offre, in particolare sulla linea delle navate, un aspetto tardo-rinascimentale. il soffitto a cassettoni, gradevole insieme da croci, rombi, ottagoni, fiorami, figure di santi e vari colori e oro, disegnato e messo in opera da Francesco Capriani, intagliato da Jacopo Pavolini da Castelfiorentino e messo a oro da Fulvo della Tuccia. Al centro della navata è lo Spirito Santo (il Paradiso). Intorno sono i busti dei santi della chiesa volterrana: S. Ugo e S. Giusto, S. Lino Papa, S. Clemente, le SS. Attinia e Greciniana.

Al centro del transetto è la Vergine Assunta in cielo con ai lati S. Vittore e S. Ottaviano.