La Cattedrale dedicata a Santa Maria Assunta fu costruita intorno al 1120 su una preesistente chiesa dedicata a Santa Maria distrutta da un violento terremoto. La facciata in stile romanico pisano risale al XIII secolo, quando la chiesa fu ingrandita e adornata molto probabilmente anche da Nicola Pisano che lavorò al vicino Battistero.
L’interno è a croce latina con tre navate divise da 22 colonne in granito e pareti dipinte a fasce bianche e nere. Nella navata sinistra si trova il pergamo, ricostruito usando elementi originari del XII, mentre in una cappella è custodito il gruppo ligneo della Deposizione (1228), capolavoro della scultura romanica.
La Cattedrale ha un aspetto tardo-rinascimentale a causa dei continui rifacimenti avvenuti nel corso dei secoli, come il grandioso soffitto a cassettoni con elementi geometrici decorativi.
Al centro della navata i busti dei santi della chiesa volterrana: Sant’Ugo, San Giusto, San Lino Papa, San Clemente e le Sante Attinia e Greciniana.
