Construida durante el siglo XIII en estilo románico pisano, fue elevada al rango de catedral en 1258.
Sobre la fachada se abrió una ventana bífora gótica, y posteriormente hubo intervenciones en el campanario.
La remodelación, que duró hasta 1704, borró casi por completo la primitiva iglesia románica: en 1702 la fachada barroca fue terminada por el arquitecto Pietro Fossati; el pavimento fue sustituido por taracea de mármol; se colocaron pilastras de caliza en lugar de las columnas románicas; en el crucero se levantó la cúpula y las capillas góticas del transepto fueron clausuradas; en su lugar se erigieron los monumentos fúnebres de los arzobispos Machín y La Cabra.
El proyecto fue ejecutado según diseño del arquitecto Francesco Giarrizzo.
La fachada principal neorrománica de 1933 está dividida en tres partes, de las cuales la central, más elevada y correspondiente a la nave mayor, termina en campana; mientras que las dos laterales, correspondientes a las naves laterales, son más bajas y terminan en media campana.
La arquitrabe del portal principal es románica original, una pieza decorada con motivos florales; sobre ella, hay una luneta en la que se representa con mosaicos a la Virgen María y al Niño.
Sobre la galería intermedia se lee la inscripción dedicatoria en latín: Sanctae Mariae Reginae Sardorum.
La fachada está flanqueada por la imponente torre campanario, originaria del siglo XII, de estilo románico pisano, con planta cuadrada y decorada en la cima con arcos de medio punto.
A la entrada hay dos pilas de agua bendita originales del siglo XVII.
A los lados del portal central hay dos púlpitos tallados en mármol derivados de un único original (encargado en 1158 y concluido en 1162), obra del maestro Guglielmo, ejecutado en un principio para la catedral de Pisa.
Las otras dos copias de la imagen mariana se encuentran en Crea y en Oropa.
Fue construida en el siglo XVII por Domenico Spotorno, quien para erigirla demolió dos lados del campanario, y reconstruida por Francesco Cucchiari en estilo neoclásico en 1824.
Fue mandada erigir por el arzobispo Bernardo de Cariñena, quien pertenecía a la Orden Mercedaria.
En el muro derecho se encuentra el mausoleo del arzobispo Bernardo de La Cabra, monumento fúnebre barroco que recuerda a quien fuera la primera víctima de la peste en Cagliari en 1655.
En el muro del fondo se halla el fastuoso altar de San Isidro, construido por voluntad del arzobispo y virrey Diego Fernández de Angulo en 1683 para celebrar la canonización de San Isidro Labrador, cuya estatua está en la cima del retablo.
Bajo la mesa del altar está el monumento a Diego Fernández de Angulo.
Esta capilla estuvo dedicada a San Saturnino, patrono de Cagliari.
La capilla siguiente, destinada a las fiestas de guardar, es llamada Capilla Pisana (en el pasado fue llamada también del Sagrado Corazón de Jesús o del Santísimo Sacramento).
Sobre el sepulcro está la llamada "Galería Real", un galería de madera en la que se sentaba a escuchar misa la familia real de Piamonte-Cerdeña durante su exilio en Cagliari (1799-1814).
Esta disposición se debe a la voluntad del arzobispo Francisco de Esquivel, quien dispuso que bajo el presbiterio se construyera el Santuario de los Mártires.
En él se ubica en lo más alto un bajorrelieve con la imagen de Santa Cecilia, con una palma y un órgano.
Se trata del altar original de la antigua iglesia románica que con el paso del tiempo, en particular durante el siglo XVIII, fue recubierto de numerosos ornamentos, mismos que fueron retirados durante una restauración en 2007.
En el muro del fondo encuentra sitio, en un elaborado nicho, la Virgen de Montserrat, advocación que los aragoneses agregaron a todas las iglesias sardas consagradas a la Virgen María.
La capilla aragonesa conserva un bello tríptico flamenco que perteneció al papa Clemente VII y cuya llegada a Cagliari está relacionada con la Santa Espina, también venerada en esta capilla.
Una vez llegada la nave a Cagliari, se informó de los hechos al arzobispo, quien a su vez informó al papa Clemente VII para que este pudiese recuperar los objetos robados.
El tríptico, una obra del siglo XV y atribuida al pintor flamenco Rogier van der Weyden, era propiedad de Clemente VII, quien lo tenía en su habitación cuando fue sustraído por los lansquenetes del emperador Carlos V en 1527.