L'edificio del Duomo, come la torre campanaria, è sprofondato percettibilmente nel suolo, e alcuni dissesti nella costruzione sono ben visibili, come le differenze di livello tra la navata di Buscheto e il prolungamento ad opera di Rainaldo (le campate verso ovest e la facciata).
All’interno del Duomo potrete ammirare l'impressionante mosaico absidale del 1302, del Cristo in Maestà, affiancato dalla Vergine e da San Giovanni Evangelista, generalmente attribuito a Cimabue (ma che probabilmente fu autore solo del San Giovanni).
La cupola in legno strutturale, all'intersezione della navata e del transetto, dall'inusitato profilo ellittico, fu decorata da Riminaldi con l'Assunzione della Vergine. La leggenda vuole che Galileo abbia formulato la sua teoria sull'isocronismo del pendolo guardando l'oscillazione del lampadario per incenso che scendeva dal soffitto della navata. Il lampadario presente tutt'oggi, noto come Lampada di Galileo, non è quello che vide all'epoca lo scienziato, ma risale a qualche anno dopo. L'originale lampada, molto più piccola e semplice (e che quindi poteva oscillare col vento), è oggi presente nel Camposanto all'interno della cappella Aulla. Le impressionanti colonne granitiche in stile corinzio fra la navata e l'abside provengono dalla moschea di Palermo, bottino della battaglia nella Cala dai Pisani nel 1063.