Fulcro della straordinaria scenografia della piazza Maggiore è il Duomo, sollevato su un podio gradonato e disposto diagonalmente rispetto all'asse della piazza. La facciata è singolare espressione dei canoni dell'architettura romanica: nell'ordine inferiore, 7 archi ciechi (leggermente più stretti quelli sulla sinistra, per accentuare l'effetto prospettico dal centro della piazza); in mezzeria, il portale decorato sull'architrave con episodi della vita di san Cerbone, patrono della città; nell'ordine superiore, 5 arcate che formano una loggia sulla quale si apre un grande rosone; al culmine, un elegante timpano-loggia a 10 arcate su colonne digradanti. Il Duomo è dedicato a San Cerbone, che fu vescovo di Populonia dal 544 al 575 dopo Cristo, anno della sua morte, diventando patrono di Massa Marittima quando le sue spoglie furono traslate nella prima chiesa cittadina per sottrarle al rischio di profanazione da parte dei pirati saraceni. La vita del Santo, già sintetizzata nei cinque episodi scolpiti sull'architrave del portale e nella vetrata del rosone, viene ripresa nella cosiddetta Arca di San Cerbone, dove riposano i suoi resti mortali, sistemata dietro l'altare maggiore: capolavoro della scultura senese del Trecento, consiste in una ricca urna di marmo decorata nelle quattro facciate da otte scene scolpite quasi a tutto tondo (e in origine dipinte); il coperchio, a quattro spioventi, è decorato invece da dieci medaglioni lobati a rilievo. Altre capolavori artistici del Duomo sono il battistero, ricavato da un unico blocco di travertino scolpito da Giroldo da Como nel 1267, e la Madonna delle Grazie, bellissima tavola eseguita nel 1316 dalla bottega di Duccio da Boninsegna. Altro pezzo superlativo, ma in questo caso d'arte moderna, è la Cattedra del Vescovo, ovvero il sedile, simile a un trono, che nella chiesa principale di una diocesi, (la 'cattedrale', per l'appunto), rappresenta la sua autorità in materia dottrinale ('ex cathedra', come si suol dire a proposito dell'infallibilità del pontefice); l'eccezionalità del manufatto sta nel materiale utilizzato, il cristallo di rocca, altrimenti detto quarzo ialino, minerale dal colore opalescente che esalta ancor più l'essenzialità del disegno.