Il duomo lucchese ha una storia molto antica e ha subito vari rifacimenti nel corso del tempo che hanno portato al gioiello architettonico che vediamo oggi: la primitiva chiesa di S. Martino, secondo la tradizione eretta da S. Frediano nel VI secolo, divenne cattedrale nell'VIII secolo al posto di S. Giovanni e Reparata e vi furono aggiunti nuovi arredi e una cripta per ospitare le reliquie di S. Regolo. Nel 1060 fu riedificata per volontà di Anselmo da Baggio vescovo di Lucca e papa col nome di Alessandro II, che la consacrò personalmente nel 1070.
All'inizio del XIII secolo venne realizzato dal cantiere di Guidetto il portico in facciata, con tre archi, di cui quello più a sud ristretto per la presenza del campanile preesistente; sopra gli archi la facciata è completata da tre livelli di loggette, e da una ricca decorazione scultorea che annovera oltre ai cicli di Guidetto capolavori come la statua di S. Martino e il povero (primi anni del 1200) e la Deposizione di Nicola Pisano (1240). Su di un pilastro si può osservare scolpito un labirinto con un'iscrizione che parla del mito di Teseo e Arianna.
All'interno la grande chiesa a tre navate con transetto e abside semicircolare è frutto di diversi interventi nel corso del XIV secolo: all'inizio fu ampliata la chiesa precedente rifacendo più arretrata l'abside, ancora in stile romanico, per ingrandire la chiesa e dotarla di un transetto realizzato successivamente con arcate gotiche, rette da pilastri con cornici semplici, di cui uno ancora visibile addossato all'abside.
Nel 1372, dopo la liberazione della città dalla dominazione pisana, questi pilastri furono giudicati non adatti e si provvide a far venire maestranze qualificate per riedificarli come li vediamo oggi per sostenere l'alzato con i matronei abbelliti da belle trifore gotiche e le volte a costoloni affrescate. L'unione di elementi romanici come l'abside e le arcate a tutto sesto dei matronei si uniscono al verticalismo della navata centrale con le trifore e i pilastri gotici e fanno della cattedrale lucchese un edificio unico.
Tra le molte opere d'arte che adornano l'interno del duomo citiamo la Madonna in trono con Bambino e santi di Domenico Ghirlandaio (1479 circa), e in sacrestia, l'Ultima cena del Tintoretto (1592-94) e il Monumento funebre a Ilaria del Caretto. A metà del duomo nella navata laterale si trova il tempietto creato da Matteo Civitali alla fine del 1484 per ospitare il Volto Santo, veneratissimo dai lucchesi che gli dedicano una solenne processione il 13 Settembre.
