La primera Iglesia de Santa María que originariamente estaba situada en el área de Santa Gilla, en 1254 fue reconstruida dentro de las murallas del Castillo de Castro.

La estructura fue ampliada en 1258 junto a las obras de construcción del episcopio y de fortificación del castillo y en 1313 fue distinguida con la dignidad episcopal, pasando a ser la Catedral de Cagliari.

Su primera planta en forma de cruz latina cubierta con un techo ligneo estaba compuesta de tres naves. En la fachada de estilo románico se abrían tres portales, de los cuales actualmente queda sólo el arquitrabe de la entrada central. A lo largo del tiempo fueron diversas las intervenciones de restauración, entre las cuales se destacan las del siglo XVII. Mientras era Arzobispo de Cagliari Monseñor Francisco Maria De Esquivel fue realizada el área presbiteral con abajo la cripta, llamada Santuario de los Mártires, según los cánones del naciente estilo barroco. Mas tarde, en 1669 y bajo el control de Monseñor Pietro De Vico, por obra del genovés Domenico Spotorno y del arquitecto Francesco Solari, se modificó la estructura románico-pisana de la Iglesia levantando los muros, sustituyendo las columnas con pilares, creando bóvedas y cùpulas para sustituir el techo lignario, de manera de dar un orden barroco a toda la estructura.

En la nave central se erigió un nuevo pulpito marcado con el escudo del Arzobispo De Vico (existente aún hoy), mientras el ambón pisano esculpido por el maestro Guillermo y donado por la Ciudad de Pisa a la Catedral de Cagliari, fue dividido en dos partes y colocado a los lados de la entrada principal.

En el año 1702 comenzaron los trabajos de demolición de la fachada románica para ser reconstruida en estilo barroco, con pilares planos y acanalados, y revestida de mármol. En el curso de los años sucesivos la Catedral no sufrió intervenciones de relieve, hasta los primeros años del siglo XX, cuando se decidió demoler la fachada barroca.

Reconstruida en los años 30, en base al diseño del arquitecto Francesco Giarrizzo, se inspira a cánones románicos y para el revestimiento se utilizó la caliza de las canteras de Bonaria. En estos últimos años se ha efectuado una restauración total del edificio y de sus obras de arte, poniendo en evidencia sus caracterizadores aspectos histórico-artísticos. La última intervención del 2007 ha comprendido la restauración de las obras lignarias, marmóreas, de las de plata y del órgano