La cathédrale de Cagliari, officiellement la cathédrale de Santa Maria Assunta et Santa Cecilia, est le principal lieu de culte de Cagliari. En arrivant à Cagliari par avion, il est impossible de ne pas remarquer sa coupole. La cathédrale de Santa Maria, lieu de culte symbolique de la ville avec la basilique de Bonaria, domine le quartier du Castello d'une masse imposante, flanquée du Palazzo Regio et de l'ancien Palazzo di città. L'église, longue de 35 mètres, large de 34 mètres et haute de 32 mètres, a été construite dans des formes gothiques-romanes. Elle est connue depuis 1255 : c'était la cathédrale avec la sainte patronne Sainte-Cécile (plus tard, elle a été nommée d'après Sainte-Marie). Entre les XIIIe et XIVe siècles, les Pisans l'ont agrandi, mais son aspect actuel est le résultat d'interventions catalano-aragonaises qui ont duré quatre siècles. Avec une annexe au début des années 1900 : la façade baroque en marbre datant de 1704, inspirée des cathédrales de Lucques et de Pise, a été démantelée dans le vain espoir de retrouver la façade médiévale en dessous. Il a été remplacé en 1931 par une structure néo-romane en marbre.
Les formes baroques remontent aux travaux du quinquennat 1669-74 : agrandissement de la nef et construction de piliers pour soutenir le nouveau toit, plus haut, et la fameuse coupole. Les travaux ont donné à la cathédrale une apparence élancée, renforçant sa majesté. Le clocher, la contre-façade, les murs d'enceinte du transept et les deux portails latéraux sont restés du plan pisan original.
Le plan est en croix latine : trois nefs et transept, sol en marbre et chapelles enrichies d'œuvres telles que le tabernacle en argent et la Sainte Épine. Adossée au mur de la nef se trouve la chaire de Guglielmo, une chaire sculptée pour la cathédrale de Pise, transférée ensuite à Cagliari (1312). La Vierge à l'Enfant, une sculpture en bois doré (XIVe siècle), la lampe en argent de Giovanni Mameli (1602) et les peintures centrales du plafond de Filippo Figari sont également de grande valeur.
Sous l'autel se trouve la châsse des Martyrs, une crypte creusée dans la roche (1618), qui abrite 192 reliques, réparties dans des niches, œuvre de maîtres de Cagliari et de Sicile. Le trésor de la cathédrale est conservé dans la sacristie : le Triptyque de Clément VII, attribué à un atelier flamand (XVe siècle), le Retablo dei Beneficiati, réalisé par des artistes napolitains, et le merveilleux antependium des orfèvres de Palerme.