De la iglesia del Castello, dedicada a Santa María, se dispone de documentación de 1255.  En 1258, los pisanos establecieron el control del juzgado de Cagliari, después de haber conquistado la capital, Santa Igia. La patrona de la iglesia era Santa Cecilia y asume el rango de catedral. Entre finales del siglo XIII y principios del siglo XIV, se produjeron los trabajos de ampliación, con la construcción de un amplio transepto y de un ábside rectangular. De la planta pisana se conservan: el campanario de caña cuadrada, la contrafachada, los muros perimétricos del transepto y la segunda capilla del sur del ábside, de planta cuadrada con bóveda en curcería. En la fachada, el portal mediano conserva el arco de descarga y, en el interior del bisel, el arquitrabe de volutas de acanto (mitad del siglo XIII). En el cabezal N del transepto, el portal está biselado con esculturas de mármol liso, mientras que el portal del cabezal S es cuspidado, con un sarcófago tardorromano de llenado y una Virgen con Niño, escultura pisana del principios del siglo XIV. En 1326, los aragoneses, ya derrotados los pisanos, se apoderaron definitivamente de Castello y llevaron a cabo la ampliación del transepto. de su intervención queda, hoy en día, la segunda capilla a la derecha del ábside, de planta semioctogonal y bóveda en forma de paraguas. A lo largo de los siglos XV y XVI, se construyeron otras capillas a lo largo del transepto y entre los contrafuertes de las naves laterales de las que se conservan algunos rosetones en los laterales externos. En la misma época, se añadieron los ambientes de la sacristía en los lados del presbiterio. Entre 1615 y 1617, el presbiterio fue sobreelevado para obtener la llamada "Cripta de los martirios", donde fueron sistemadas las reliquias de los supuestos mártires sardos, encontradas en aquellos años en el área de la basílica de San Saturnino. El sagrario, al que se accede a través de dos escaleras en los lados del presbiterio, está dividido en tres ambientes: el más grande, central, con bóveda de cajón rebajada: los dos laterales, más pequeños, cubiertos, en parte en crucería y en parte en cajón en forma de espiga. En 1669, se decidió proceder con los trabajos de restauración y ampliación, según las modalidades actualizadas al barroco. Los trabajos incluyeron la ampliación de la nave central, la sustitución de los tabiques divisorios con robustas pilastras de sujeción de la nueva y más alta cubierta de cajón de la nave central y del transepto. En el cruce, una alta cúpula sobre tambor. Entre 1702 y 1704, se construyó la fachada según el diseño de Pietro Fossati. En 1771-72, fue restaurada y en parte modificada según los diseños y los cálculos del arquitecto Viana, quien también dirigió los trabajos. En 1902, bajo la dirección del ingeniero Scano, la fachada barroca fue eliminada con la vana esperanza de encontrar debajo de ella, la medieval. Hasta 1925, no fue reconstruida por una nueva de "estilo románico de Lucca", bajo el diseño del arquitecto Giarrizzo.