La facciata, ispirata a quella del Duomo di Pisa, ma arricchita da elementi autonomi ed originali propri del Romanico lucchese, è firmata da Guidetto da Como e datata 1204.
Al piano terra si apre un profondo porticato a tre ampie arcate sorrette da possenti pilastri compositi; sopra, tre ordini di loggette richiamano il motivo della facciata del Duomo di Pisa. Le tre arcate non sono tutte della stessa ampiezza a causa dell'asimmetria della facciata, che si restringe in prossimità del campanile, merlato, risalente anch'esso al XIII sec.
Sulla parete di un pennacchio tra due arcate del portico era in origine collocato il gruppo statuario di S. Martino che dona il mantello al povero (ora conservato all'interno del Duomo e sostituito all'esterno da una copia), databile intorno al 1233, uno dei primi gruppi statuari medievali svincolati dalla funzione di scultura architettonica.
Vari artisti hanno partecipato, inoltre, negli stessi anni, alla decorazione dei portali della facciata: nella lunetta del portale centrale è un rilievo con l'Ascensione di Cristo, nelle specchiature tra i portali le Storie di S. Martino e un Ciclo dei Mesi, nella lunetta del portale laterale destro il Martirio di S. Regolo, e nel portale sinistro rilievi con Storie dell'infanzia di Cristo e una Deposizione, attribuiti alla scuola di Nicola Pisano.
L'interno della Cattedrale di S. Martino, rinnovato nella seconda metà del XIV sec., è a tre navate, scandite da pilastri con transetto sporgente e abside semicircolare. Vi si conservano pregevolissime opere d'arte, tra le quali si segnalano in particolare: il monumento funebre di Ilaria del Carretto di Jacopo della Quercia (1408), conservato nella sagrestia, all'interno della quale è visibile anche un dipinto di Domenico Ghirlandaio raffigurante la Madonna con il Bambino tra i SS. Pietro, Clemente, Paolo e Sebastiano; sugli altari della navata destra un'Adorazione dei magi di Federico Zuccari e un'Ultima cena di Jacopo Tintoretto e nella cappella del santuario un dipinto con la Madonna ed il Bambino tra Santi di fra' Bartolomeo (1509).
Al centro della navata sinistra è visibile, inoltre, il cosiddetto "tempietto del Volto Santo", costruzione quattrocentesca che contiene al suo interno il celebre "Volto Santo di Lucca", ossia il crocifisso ligneo eseguito tra l'XI e il XIII sec. forse ad imitiazione di un più antico modello orientale. Scolpito secondo la leggenda dal fariseo Nicodemo, il "Volto Santo di Lucca" è stato fin dall'alto Medioevo oggetto di grande venerazione e meta di pellegrinaggi dall'Italia e dagli altri paesi europei.
Nel Duomo di Lucca troviamo il tabernacolo del Volto Santo, che contiene e protegge una croce lignea bizantina del VII secolo venerata durante la processione notturna di "Santa Croce" durante il mese di Settembre.
E ancora tele dei famosi Domenico Ghirlandaio, Cosimo Rosselli, Tintoretto, Federico Zuccari, Domenico Passignano.
Monumento funebre di Ilaria del Carretto
è visibile il Monumento funebre di Ilaria del Carretto , seconda moglie di Paolo Guinigi, morta l'8 dicembre 1405. L'opera venne eseguita a partire dal 1406 dallo scultore senese Jacopo della Quercia (1374 circa-1438).
In origine l'opera era collocata nel transetto meridionale della cattedrale presso un altare patronato della famiglia Guinigi, dove ora si trova un confessionale, tra il Monumento funebre di Domenico Bertini (opera di Matteo Civitali) e il pilastro angolare. A poca distanza dal muro è tuttora visibile una striscia di pavimento con pietre strette e lunghe che contrasta col resto della pavimentazione: è un frammento del piano di posa predisposto da Jacopo per collocarvi il monumento di Ilaria.
Nel 1430, alla caduta della Signoria dei Guinigi, il monumento venne spogliato di tutte quelle parti che rendevano possibile il riferimento al tiranno, quali la lastra con lo stemma, poi recuperata, e un'iscrizione commemorativa, andata perduta. L'opera raggiunse la collocazione attuale nel 1887 dopo aver subito vari spostamenti all'interno della chiesa.
Ilaria giace distesa su di un basamento decorato da putti e festoni, di ispirazione classica, con la testa poggiata su di un cuscino. Ha gli occhi chiusi e sembra essere ritratta nel sonno. La veste è raffinata ed elegante, con una foggia particolare, e probabilmente corrisponde a quella effettivamente indossata da Ilaria sul letto di morte. Ai suoi piedi è raffigurato un cane, simbolo della fedeltà coniugale.
L'opera è frutto dello straordinario incontro tra il gusto tardo-gotico di ascendenza francese, che si manifesta nel panneggio a pieghe sottili e parallele, con il sorgente gusto rinascimentale di ascendenza fiorentina rivelato dal dolce modellato della figura e del volto. Una levigatezza già notata nel '500 da Giorgio Vasari " Jacopo di leccatezza pulitamente il marmo cercò di finire con diligenza infinita", che fa dell'opera uno dei massimi capolavori della scultura quattrocentesca.
Volto Santo
Il Volto Santo si trova all'interno della Cattedrale in una cappella isolata nella navata sinistra eseguita da Matteo Civitali nel 1482.
Il Crocifisso misura m 2,24 x 2,65 ed è in legno di noce.
La leggenda racconta che venne scolpito da Nicodemo, aiutato dalla grazia divina, per tramandare le sembianze di Cristo. Nascosto fino al sec. VIII venne ritrovato dal vescovo Gualfredo grazie ad un sogno rivelatore. Il Crocifisso, messo su una barca a Joppe, navigò senza equipaggio per tutto il Mediterraneo sfuggendo anche agli assalti dei pirati nel porto di Luni, dove si era fermato. Si lasciò avvicinare dal vescovo di Lucca Giovanni I e venne trasportato in città nel 782.
Il Volto Santo fu veneratissimo fin dalla metà del sec. XI e Lucca divenne mèta di pellegrinaggi da ogni parte d'Europa. La sua effige divenne il simbolo della città tanto che fu posta sui sigilli dei cambisti e sulle monete. Il culto dette origine a derivazioni curiose come la Santa Kummernis dei paesi germanici, promessa sposa del re di Sicilia, che fu fatta crocifiggere dal padre perché le era cresciuta la barba e aveva così evitato il matrimonio (la santa proteggeva le donne che volevano liberarsi dei mariti).
Tornando al Volto Santo, per quanto riguarda la datazione, si esclude che possa risalire al sec. I, come vorrebbe la leggenda. Per ragioni stilistiche gli studiosi sono concordi nel situare l'opera intorno all'XI secolo, e comunque in ambito romanico. Non è escluso tuttavia che possa essere la copia di un esemplare forse dell'VIII secolo e siriaco, come indicherebbero i particolari somatici del volto (occhi sporgenti, barba bipartita) e la caratteristica veste a maniche lunghe, rara nei crocifissi italiani dell'epoca.
La leggenda è stata raffigurata dal pittore Amico Aspertini nella Cappella di S. Agostino all'interno della Basilica di S. Frediano.
