La cathédrale, construite sur le site de l'ancienne Pieve di Santa Maria, a été érigée entre 1592 et 1630 sur un projet d'Ippolito Scalza et restaurée en 1988. La cathédrale de l'Assomption de Montepulciano est un véritable joyau de la Renaissance situé sur une belle place, la Piazza Grande. La seule structure qui subsiste de l'ancienne pieve est le clocher massif fait de pierres de taille et de briques en travertin. La partie apicale, signalée par les minces fenêtres à meneaux en forme de cloche, n'a jamais été achevée. La façade saillante est également inachevée, tandis que les côtés, recouverts d'un revêtement de briques et de pierres de taille en travertin, sont animés par des pilastres toscans entre lesquels sont insérés des arcs en plein cintre. À l'intérieur, la structure architecturale, clairement d'origine florentine, est austère et élégante grâce à la clarté des surfaces en plâtre qui alternent avec la façade en pierre de taille. Le plan est une croix latine divisée en trois nefs par des piliers massifs soutenant des arcs en plein cintre. Dans la nef, les transepts et les absidioles, des entablements saillants soutiennent une voûte en berceau ; à l'intersection des deux corps orthogonaux, des pendentifs angulaires soutiennent le tambour (architecture) sur lequel repose la coupole. Les nefs latérales sont couvertes de voûtes d'arêtes ; des chapelles voûtées en berceau s'ouvrent sur les murs à chaque travée. La chaire soutenue par des colonnes ioniques est adossée à un pilier sur la droite. Les vastes espaces du temple sont décorés d'un grand nombre d'œuvres d'art. Certains d'entre eux proviennent de l'ancienne église paroissiale et d'autres églises de la région. L'un des plus importants est le triptyque monumental de l'Assomption, peint par Taddeo di Bartolo en 1401, qui domine le maître-autel. Un autre monument de première importance est le monument funéraire de Bartolomeo Aragazzi du XVe siècle, en marbre de Carrare, réalisé par Michelozzo entre 1427 et 1436. Aujourd'hui, le monument est divisé en neuf fragments, dont sept sont murés en différents endroits de l'église : deux statues et la frise avec putti et guirlandes se trouvent sur le maître-autel (datant du début du XXe siècle), la statue de la défunte se trouve sur la contre-facade de droite, tandis que deux bas-reliefs représentant la Madone bénissant la famille Aragazzi et les Adieux de la mère de la défunte à sa famille sont murés sur les premières colonnes de la nef ; deux anges sont conservés au Victoria and Albert Museum de Londres.