Sopraelevata su una scalinata cinquecentesca, l'imponente costruzione gotica fu iniziata alla fine del sec. XIII e portata a termine ai primi del '500. La facciata neogotica (1901-14) ha sostituito quella originale, rimasta incompiuta all'inizio del '400; nel fianco destro, portale (1319-37) con lunetta ornata da un gruppo scultoreo in terracotta di Niccolò di Luca Spinelli; accanto all'abside poligonale, dalle alte bifore, campanile neogotico del 1859.
L'
interno, a tre navate di vaste proporzioni, è caratterizzato dallo slancio ascensionale dei pilastri, degli archi e delle volte ogivali, nonché dalle grandi vetrate istoriate, in gran parte opera di Guillaume de Marcillat (sec. XVI). Alla parete della navata destra, al principio, sepolcro di Gregorio X, gotico dei primi del sec. XIV; in fondo, la cappella di Ciuccio Tarlati (1334), con un affresco (Crocifisso e santi) di un pittore aretino del '300 e un'urna marmorea del sec. IV. Nel presbiterio, l'arca di S. Donato*, complessa urna marmorea dal ricco apparato decorativo gotico, opera di artisti toscani del sec. XIV. Nella navata sinistra, presso la porta della sagrestia, affresco* (la Maddalena) di Piero della Francesca, e accanto cenotafio* del vescovo Guido Tarlati, del 1330); all'inizio della navata, cappella della Madonna del Conforto, dell'ultimo '700, con belle terrecotte invetriate robbiane.