De kathedraal van Cagliari, officieel de kathedraal van Santa Maria Assunta en Santa Cecilia, is de belangrijkste plaats van aanbidding in Cagliari. Bij aankomst in Cagliari met het vliegtuig is het onmogelijk de koepel niet op te merken. De kathedraal van Santa Maria, samen met de basiliek van Bonaria de symbolische plaats van aanbidding van de stad, torent met een imposante omvang boven de wijk Castello uit, geflankeerd door het Palazzo Regio en het oude Palazzo di città. De kerk, 35 meter lang, 34 meter breed en 32 meter hoog, is gebouwd in gotisch-romaanse vormen. Het is bekend vanaf 1255: het was de kathedraal met de patroonheilige Sint Cecilia (later werd het vernoemd naar Sint Maria). Tussen de 13e en 14e eeuw werd het door de Pisanen uitgebreid, maar het huidige uiterlijk is het resultaat van Catalaans-Aragonese ingrepen die vier eeuwen duurden. Met een aanhangsel begin 1900: de barokke marmeren gevel uit 1704, geïnspireerd op de kathedralen van Lucca en Pisa, werd afgebroken in de ijdele hoop er de middeleeuwse onder terug te vinden. Het werd in 1931 vervangen door een neoromaanse marmeren constructie.
De barokke vormen dateren uit de werken van de vijfjarige periode 1669-74: uitbreiding van het schip en bouw van pijlers om het nieuwe, hogere dak en de beroemde koepel te ondersteunen. De werken gaven de kathedraal een verheven uiterlijk, waardoor de majesteit werd versterkt. Van de oorspronkelijke Pisaanse indeling bleven de klokkentoren, de tegengevel, de ommuring van het transept en de twee zijportalen over.
Het plan is Latijns kruis: drie beuken en transept, marmeren vloer en kapellen verrijkt met werken zoals het zilveren tabernakel en de Heilige Doorn. Tegen de muur van het schip leunt de preekstoel van Guglielmo, een preekstoel gebeeldhouwd voor de kathedraal van Pisa, later overgebracht naar Cagliari (1312). Ook van grote waarde zijn de Madonna met kind, een vergulde houten sculptuur (14e eeuw), de zilveren lamp van Giovanni Mameli (1602) en de centrale plafondschilderingen van Filippo Figari.
Onder het altaar bevindt zich het schrijn van de martelaren, een in de rots uitgehouwen crypte (1618), waarin 192 relikwieën zijn ondergebracht, verdeeld over nissen, het werk van meesters uit Cagliari en Sicilië. In de sacristie wordt de schat van de kathedraal bewaard: het drieluik van Clemens VII, toegeschreven aan een Vlaams atelier (15e eeuw), het Retablo dei Beneficiati, gemaakt door Napolitaanse kunstenaars, en het prachtige antependium van de zilversmeden uit Palermo.
