La Chiesa intitolata a Santa Maria venne elevata a Cattedrale della città dopo la conquista e il successivo abbandono di S. Igia nel 1258. Dell’impianto medioevale originario permangono soltanto il campanile a sezione quadrata, i bracci del transetto, con le due porte laterali di schema romanico, e la cosiddetta “cappella pisana”, dedicata al Sacro Cuore e posta a sinistra del presbiterio quadrangolare. In posizione simmetrica rispetto alla cosiddetta “cappella pisana” sorge un’altra elegante cappella trecentesca, dedicata alla “Sacra Spina”, edificata secondo i moduli stilistici gotico aragonesi. La prima trasformazione della Cattedrale avvenne tra il 1664 ed il 1674 ad opera dell’architetto genovese Domenico Spotorno, che rifece completamente l’interno ampliandone la superficie. Nel 1702 la facciata venne adattata al gusto barocco dell’epoca. Nel 1930, infine, nel corso degli ultimi e definitivi restauri ad opera dell’architetto Francesco Giarrizzo, la chiesa acquisì l’attuale nuova facciata neoromanica, realizzata in pietra calcarea, in sostituzione di quella barocca in marmo, già demolita nel 1902-1903.
Sotto il presbiterio della Cattedrale, l’arcivescovo Francisco Desquivel fece costruire nel 1618 una cripta-santuario per custodire le reliquie dei numerosi martiri cagliaritani riportate in luce a partire dal 1614. È chiamata cripta dei Santissimi Martiri, perché al suo interno sono collocate 179 nicchie contenenti le reliquie dei martiri cagliaritani. Dal punto di vista architettonico, la cripta si compone di tre ambienti, con volte a botte ribassate e decorazioni a cassettoni in stile barocco con rosette e punte di diamante che si alternano in rilievo. Al primo ambiente si accede mediante una scalinata in marmo, raccordata attraverso un piccolo pianerottolo alle due piccole rampe che si aprono sotto la balaustra del presbiterio. Il pianerottolo funge da vestibolo del santuario e ospita il mausoleo dell’arcivescovo Francisco Desquivel, che qui espresse la volontà di essere sepolto alla sua morte avvenuta nel 1624.
