La cathédrale dédiée à Santa Maria Assunta a été construite vers 1120 sur une église préexistante dédiée à Santa Maria, détruite par un violent tremblement de terre. La façade de style roman pisan remonte au XIIIe siècle, lorsque l'église a été agrandie et ornée, très probablement par Nicola Pisano qui travaillait au baptistère voisin.
L'intérieur présente un plan en croix latine avec trois nefs divisées par 22 colonnes de granit et des murs peints en rayures noires et blanches. Dans la nef de gauche se trouve la chaire, reconstruite à partir d'éléments originaux du XIIe siècle, tandis qu'une chapelle abrite le groupe en bois de la Déposition (1228), chef-d'œuvre de la sculpture romane.
La cathédrale a une apparence de la Renaissance tardive en raison des rénovations continues qui ont eu lieu au cours des siècles, comme le grandiose plafond à caissons avec des éléments géométriques décoratifs.
Au centre de la nef se trouvent les bustes des saints de l'église de Volterra : Saint Hugh, Saint Just, Saint Linus Pape, Saint Clément et les Saints Attinia et Greciniana.
