По преданию, первая церковь на месте собора была построена святым Фредиано в шестом веке; в VIII веке она становится главной епархиальной церковью города. В 1060 году епископ Лукки Ансельмо да Баджо начал строительство нынешнего храма, а спустя десять лет, став папой Александром II, с большими торжествами освятил его. Бюст Ансельма да Баджо хранится в соборе.

Фасад, созданный Гвидетто да Комо, имеет чрезвычайно эффектный вид (его асимметрия появилась в результате сдвига здания в сторону колокольни, нижняя часть которой служила оборонительным сооружением). Над трехарочным портиком идут галереи с изящными резными колоннами. Справа от центральной арки портика находится конная статуя св. Мартина - редкий пример средневековой скульптуры подобного рода (оригинал выставлен внутри собора). Самыми замечательными элементами декора портика являются рельефы XIII в., обрамляющие атриум и входные порталы. Считается, что рельефы левого портала были изготовлены Никколо Пизано. Панели между дверями – работа Гвидетто да Комо, на них представлены эпизоды из жизни св. Мартина, св. Регула и Христа. При входе в собор на одном из столбов виден рисунок Лабиринт. Надпись гласит, что это тот самый лабиринт, который на Крите построил Дедал, откуда найти выход может только Тесей, которого вела нить Ариадны.

Если внешний вид церкви относится к романскому стилю, то внутренний, после перестройки XIV-XV веков, стал готическим. Изящная восьмигранная капелла Маттео Чивитали была построена для Вольто Санто (Святого лика) - распятия, вырезанного из ливанского кедра. По легенде, распятие было изготовлено очевидцем казни Христа, Никодимом (искусствоведы предполагают, что статуя является копией работы VIII в). Это изображение появилась в городе во время епископства Ансельмо, совершившего после этого головокружительную карьеру.

Алтари нефа украшены полотнами художников XVI-XVII веков (Дзуккари, Ридольфи, Лигоцци, Пассиньяно), среди которых выделяется Тайная вечеря (1594) Тинторетто.

В сакристии можно увидеть гробницу Иларии дель Каррето, второй жены Паоло Гуиниджи, одного из правителей Лукки. Этот шедевр, соединивший в себе черты итальянской скульптуры с готической скульптурой Франции, создал сиенский мастер Якопо делла Кверча (1408). Еще одна прекрасная работа украшает сакристию – Мадонна с младенцем и святыми флорентийского художника Доменико Гирландайо; над ней помещен люнет, выполненный Филиппино Липпи. Алтарь со статуями Христа, святых Петра и Павла (1579) принадлежит резцу Джамболонья.

Справа от главного алтаря собора находится Алтарь св. Реголо, посвященный одному из первых епископов Лукки. Эта прекрасная работа выполнена скульптором Маттео Чивитали.

В капелле Сантуарио (слева от главного алтаря) хранится выдающаяся работа Фра Бартоломео Мадонна с младенцем и святыми.