Adagiata sulle pendici del monte Caputo, la facciata si presenta con un portico a trifora, due massicce torri fortificate (quella di sinistra trasformata in campanile) e pregevoli porte bronzee, una delle quali è opera di Bonanno Pisano e risale al 1185, 1186 secondo il computo degli anni in uso a Pisa.

Il portico sul fianco sinistro è di Giovanni Domenico Gagini e Fazio Gagini, eseguito tra il 1547 e il1569, mentre i battenti bronzei del portale musivo architravato sono opere del 1185 circa di Barisano da Trani. L’esterno, quantunque modificato, nella parte posteriore conserva intatta l’impronta normanna ed è ornato a vari disegni formanti una serie di archi di pietre bianche e nere con cerchi al di sotto, assai ben combinati e disposti tra loro. Le absidi, col fitto intreccio d’archi acuti, evocano atmosfere arabeggianti esaltate dalla decorazione policroma creata dall’alternanza di tarsie di calcare e di pietra lavica.

Il vastissimo interno basilicale a tre navate, lungo 90 metri, al quale si accede attraverso il portico sul fianco sinistro, misura 102×40 m; il soffitto è a capriate, e dietro l’altare l’edificio termina con tre absidi. Le navate sono divise da colonne antiche con pulvino e capitelli anch’essi antichi con clipei di divinità che sostengono archi a sesto acuto di tipo arabo. I soffitti sono a travature scoperte dipinti nelle navate e a stalattiti di tipo arabo nella crociera, quest’ultimi rifatti nel 1811 dopo un incendio che aveva distrutto parte del tetto. Il pavimento, completato nel XVI secolo è musivo, con dischi di porfido e granito e con fascemarmoree intrecciate a linee spezzate. Le transenne che recintano anteriormente la crociera sono decorate da mosaici ottocenteschi.

Le pareti delle absidi del santuario e delle navate sono, superiormente, rivestiti da mosaici di scuola bizantina a fondo oro, eseguiti tra il XII e la metà del XIII secolo da maestranze in parte locali e in parte veneziane, formatesi alla scuola bizantina.
Questi mosaici raffigurano storie cicliche dell’Antico e del Nuovo Testamento; nel catino absidale mediano è la colossale figura del Cristo Pantocratore (Onnipotente). Sul fianco destro è il sarcofago in porfido di Guglielmo I, morto nel 1166, e quello marmoreo di Guglielmo II il Buono. Sul lato sinistro, dentro tombe ottocentesche, si trovano le spoglie di Margherita di Navarra e di Sicilia, moglie di Guglielmo I, e dei figli Ruggero ed Enrico.

Le cappelle del Crocifisso e di San Benedetto sono due notevoli esempi del barocco siciliano. L’altare maggiore è una raffinata opera del XVIII secolo, eseguita dall’argentiere romano Luigi Valadier. Il grande organo, dotato di ben sei tastiere e posto accanto l’altar maggiore, è opera del XX secolodei Fratelli Ruffatti di Padova, loro maggiore realizzazione sul territorio italiano.

Il tesoro della cattedrale conserva, fra le altre cose, arredi sacri (anche di fattura francese), una cassettina di rame smaltato del XIII secolo ed un reliquario della Sacra Spina (della corona di Cristo), risalente al periodo gotico. La cappella del tesoro è di epoca barocca.