La Chiesa Madre, posta in cima ad un'ampia scalinata fiancheggiata da lanterne e piante, è una delle più importanti e belle del barocco siciliano. Per costruirla fu distrutta la chiesa di San Giuseppe (in suo onore all'interno del Duomo esiste una cappella consacrata al santo). L'atto di fondazione della nuova chiesa è datato 2 ottobre 1666. Il suo disegno venne realizzato da Angelo Italia, architetto e scultore, che lavorò anche alla costruzione del Crocifisso del Duomo di Monreale. Il prospetto, eseguito in pietra calcarea del Casserino, è costituito da un portale centrale fiancheggiato da due colonne sormontate da un frontone spezzato e da due portali laterali minori, ai cui lati si ergono le due torri campanarie. Il perimetro esterno, compresi i due Oratori che fiancheggiano la chiesa, disegna sul terreno una grande croce commissa di mq. 1500; il monumento, nel punto più elevato, supera i 30 mt. d'altezza. L'interno è diviso in tre navate da colonne di marmo rosso che poggiano su grossi basamenti bianchi. La luce entra da una vasta cupola che pesa su arcate sostenute da quattro pilastri d'ordine corinzio, e libere colonne toscane sorreggono sulla trabeazione lo zoccolo d'imposta e la volta a tutto sesto della navata centrale. Uguali coperture si notano nel transetto e nel presbiterio, mentre sono a crociera quelle delle navate laterali. All'interno è decorata con stucchi neoclassici. La cappella in legno, a somiglianza della quale fu scolpita la cantoria dell'organo, è dedicata alla Madonna del Rosario. L'altra, quella del SS. Sacramento, presenta pareti rivestite di marmo a colori cangianti e la volta discretamente affrescata. Il presbiterio, dietro un cancello di ferro, riceve nella sua abside il sontuoso Altare Maggiore. Nella prima cappella della navata, entrando a sinistra, si trova l'urna di San Traspadano che reca lo stemma dei Tomasi intrecciato con quello dei Traina, Caro e Aragona di Sicilia. Nelle due navate laterali si aprono, quasi in asse tra loro, gli ingressi di due scale a chiocciola che portano al campanile e alla torre dell'orologio. Accanto all'ingresso di questa scala si trova il fonte battesimale, sotto una piccola volta a bacino sostenuta da colonne. La chiesa possiede un organo costruito nella prima metà del 700 da attribuire a Calogero Provenzani, figlio del pittore Domenico. Sotto la cantoria ci sono dei putti decorati in oro zecchino, così come le sculture in legno che raffigurano Santa Cecilia e Re David che suona l'arpa. L'altare maggiore è opera di Giuseppe Allegra di Palermo ed è fiancheggiato dagli stalli lignei del coro, intagliati da Antonio Cardilicchia. I numerosi dipinti conservati all'interno della chiesa appartengono al palmese Domenico Provenzani (La Natività; Cuore di Gesù; diverse Madonne); il maestro palermitano Gaspare Serenario (Incoronazione dell'Immacolata); il palmese Raffaele Manzelli (i quadri del soffitto; La Trinità; i quattro Evangelisti nei peduncoli della cupola; i due quadri delle pareti del coro; La Madonna del Rosario). Altri quadri di Domenico Provenzani si trovano nella sacrestia e ci sono numerosi ritratti di preti e dei Duchi di Palma. Ai lati del Duomo esistono due oratori: quello del SS. Sacramento e quello del Rosario. Il primo conserva gli affreschi di Domenico Agresta (Pasqua Ebraica; Colpa d'Adamo ed Eva); il secondo conserva le tele e gli affreschi di Domenico Provenzani (Arcangelo che schiaccia l'Idra; un Angelo; dodici figurine che raffigurano gli Apostoli). Nel Duomo sono conservate, inoltre, le reliquie di diversi santi giunti a Palma per l'interessamento del Cardinale Tomasi: il corpo di San Traspadano (giovane martire), ossa di Santa Cecilia martire, San Luciano, San Bonifacio, San Clemente, Sant'Emiliano, San Celso, San Pio, Sant'Elia.Oltre a queste reliquie, nel Duomo è conservato il corpo del primo arciprete di Palma, Gian Battista Odierna.
