Il Duomo domina con la sua mole la sommità della collina aretina, svettando su tutte le vedute della città.
Una scalinata precede il grande tempio gotico del XIII-XIV sec., terminato ai primi del' 500. La facciata, rimasta incompiuta, è stata realizzata all'inizio del Novecento su disegno di Dante Viviani.

Il fianco destro ha un bel portale romano-gotico trecentesco ed è fiancheggiato da due tronconi di colonna in porfido residuati da un edificio preesistente ( forse romano); nella lunetta si evidenzia un gruppo trecentesco in cocciopesto (Madonna con Bambino, tra S.Donato e Gregorio X).
Accanto all'abside poligonale, dalle alte bifore, si leva il campanile, eretto a metà dell'Ottocento; la cima è opera novecentesca.

L’interno a tre navate di proporzioni maestose è caratterizzato dallo slancio ascensionale dei pilastri, degli archi e delle volte ogivali. Sono bellissime le luminose vetrate a colori, in gran patte opera di Guglielmo de Marcillat (XVI sec.).
Nella navata destra, al principio, si trova il gotico sepolcro di Gregorio X (sec. XIV); in fondo, la cappella Tarlati (1334), con un affresco (Crocifisso e Santi) di un pittore aretino del '300, e un'urna marmorea del IV. sec.
Sopra l'altare maggiore, la pregevole Arca di S. Donato, sorretta da piccoli pilastri e sormontata da una ricca decorazione a salienti, opera di artisti aretini senesi e fiorentini del XIV secolo.
Nella navata sinistra, presso la porta della sagrestia, è custodito il prezioso affresco " La Maddalena" di Piero della Francesca; accanto la grande tomba del vescovo Guido Tarlati, di Agostino di Giovanni e Agnolo di Ventura (1330).
La vasta cappella della Madonna del Conforto, dell'ultimo '700, contiene terrecotte robbiane: da notare il Crocifisso e due Santi sull'altare destro.

Dalla sagrestia si accede al Museo Diocesano e all’Archivio Capitolare, dove sono custodite opere provenienti dal Duomo e dalle chiese della diocesi. Da segnalare: un Crocifisso ligneo policromo del sec. XII; tre affreschi riportati di Spinello Aretino; una Annunciazione, bassorilievo in terracotta del '400; alcuni dipinti del Vasari; degli oggetti liturgici dal secolo XIII al XIX e dei rari codici miniati.