La cattedrale si distingue dalle altre chiese per la sua dignità di essere la cattedra del vescovo, la sede della sua autorità, l'edificio sacro dove vengono più solennemente celebrate le ricorrenze dell'anno liturgico. Ma il duomo di Cagliari non è sempre stato utilizzato solo ed esclusivamente per il culto, in passato, infatti, era luogo anche di assemblee, dove si prendevano collettivamente decisioni importanti per la società, così fecero gli Stamenti (bracci del Parlamento Sardo), che qui si riunivano in seduta plenaria.

La primitiva chiesa (XIII secolo in stile romanico) era dedicata a S. Maria. Divenne Cattedrale solo quando nel 1258 venne distrutta dai pisani la allora Cattedrale di S. Cecilia, situata nella Villa di S. Igia, centro amministrativo del giudicato di Cagliari, dalla quale prese il culto a S. Cecilia che si affiancò così a S. Maria nell'intitolazione.

La sua costruzione, ad opera dei Pisani, deve collocarsi tra il 1217, anno in cui questi si insediarono in Castello, e il 1258, quando questa divenne Cattedrale (i Pisani dominarono Cagliari dal 1258 al 1326). Poco rimane di quel periodo, infatti, fu ristrutturata completamente nel 1669 dagli Spagnoli, in stile Barocco, cancellando quasi completamente la primitiva chiesa romanica (dal 1326 al 1509 Cagliari rimase sotto dominio Aragonese e dal 1509 al 1700 sotto quello spagnolo): la controfacciata, il transetto con le porte laterali, l'altare maggiore, la cappella del Sacro Cuore di Gesù, ed il campanile.

Un altro grande restauro si ebbe nella prima metà di questo secolo, quando fu demolita la facciata barocca del 1702 sostituita con l'attuale di stile romanico-lucchese su disegno dell'architetto Francesco Giarrizzo.