Katedralen i Cagliari, officiellt Santa Maria Assunta- och Santa Cecilia-katedralen, är Cagliaris främsta gudstjänstlokal. När man anländer till Cagliari med flyg är det omöjligt att inte lägga märke till dess kupol. Katedralen Santa Maria, som tillsammans med basilikan Bonaria är stadens symboliska gudstjänstlokal, tornar upp sig över Castello-området med sin imponerande storlek, flankerad av Palazzo Regio och det antika Palazzo di città. Kyrkan, som är 35 meter lång, 34 meter bred och 32 meter hög, är byggd i gotisk-romansk stil. Den är känd sedan 1255: det var katedralen med skyddshelgonet Sankt Cecilia (senare fick den namnet Sankt Maria). Mellan 1200- och 1300-talen utvidgade pisaner den, men dess nuvarande utseende är resultatet av katalansk-ragonesiska ingrepp som varade i fyra århundraden. Med ett tillägg i början av 1900-talet: den barocka marmorfasaden från 1704, inspirerad av katedralerna i Lucca och Pisa, demonterades i det fåfänga hoppet att hitta den medeltida fasaden under den. Den ersattes 1931 med en neoromansk marmorkonstruktion.
Barockens former går tillbaka till arbetena 1669-74: utvidgningen av skeppet och byggandet av pelare för att stödja det nya, högre taket och den berömda kupolen. Arbetet gav katedralen ett högt utseende och förstärkte dess majestät. Klocktornet, motfasaden, tvärskeppets väggar och de två sidoportalerna är fortfarande kvar av den ursprungliga pisanska utformningen.
Planen är ett latinskt kors: tre skepp och tvärskepp, marmorgolv och kapell som är berikade med verk som silvertabernakel och den heliga törnen. Mot väggen i mittskeppet står Guglielmos predikstol, en predikstol som skulpterades för katedralen i Pisa och som senare flyttades till Cagliari (1312). Av stort värde är också Madonnan med barnet, en förgylld träskulptur (1300-talet), silverlampan av Giovanni Mameli (1602) och de centrala takmålningarna av Filippo Figari.
Under altaret ligger martyrernas helgedom, en kryptan som grävts ner i berget (1618) och som rymmer 192 reliker, fördelade i nischer, som är gjorda av mästare från Cagliari och Sicilien. I sakristian förvaras katedralskatten: Clemens VII:s triptyk, som tillskrivs en flamländsk verkstad (1400-talet), Retablo dei Beneficiati, som skapats av neapolitanska konstnärer, och det fantastiska antependium som skapats av Palermos silversmeder.