Katedralen i Cagliari, officielt Santa Maria Assunta og Santa Cecilia-katedralen, er det vigtigste sted for tilbedelse i Cagliari. Når man ankommer til Cagliari med fly, er det umuligt at undgå at lægge mærke til dens kuppel. Katedralen Santa Maria, byens symbolske kultsted sammen med basilikaen Bonaria, tårner sig med sin imponerende størrelse over Castello-kvarteret, flankeret af Palazzo Regio og det gamle Palazzo di città. Kirken, der er 35 meter lang, 34 meter bred og 32 meter høj, er bygget i gotisk-romanske former. Den er kendt fra 1255: det var katedralen med skytshelgenen Sankt Cecilia (senere blev den opkaldt efter Sankt Maria). Mellem det 13. og 14. århundrede udvidede pisanerne den, men dens nuværende udseende er resultatet af catalansk-ragonesiske indgreb, der varede i fire århundreder. Med et tillæg i begyndelsen af 1900-tallet: den barokke marmorfacade fra 1704, der var inspireret af katedralerne i Lucca og Pisa, blev nedtaget i det forgæves håb om at finde den middelalderlige facade nedenunder. Den blev erstattet i 1931 med en neoromansk marmorbygning.
De barokke former stammer fra arbejderne i 1669-74: udvidelse af kirkeskibet og opførelse af søjler til at bære det nye, højere tag og den berømte kuppel. Værkerne gav katedralen et højt udseende og forstærkede dens majestæt. Klokketårnet, modfacaden, tværskibets omkredsmure og de to sideportaler er tilbage af den oprindelige pisanske indretning.
Planen er et latinsk kors: tre skibe og tværskib, marmorgulv og kapeller, der er beriget med værker som f.eks. sølvtabernaklet og den hellige torne. På væggen i kirkeskibet står Guglielmos prædikestol, en prædikestol, der blev skulptureret til katedralen i Pisa og senere overført til Cagliari (1312). Af stor værdi er også Madonnaen og barnet, en forgyldt træskulptur (14. århundrede), sølvlampen af Giovanni Mameli (1602) og de centrale loftsmalerier af Filippo Figari.
Under alteret ligger martyrernes helligdom, en krypt, der er gravet ned i klippen (1618), og som rummer 192 relikvier, fordelt i nicher, udført af kunstnere fra Cagliari og Sicilien. Katedralskatten opbevares i sakristiet: Triptychonet af Clemens VII, der tilskrives et flamsk værksted (15. århundrede), Retablo dei Beneficiati, der er skabt af neapolitanske kunstnere, og det vidunderlige antependium af Palermos sølvsmede.