La chiesa ha subito nei secoli numerosi rinnovi e ricostruzioni. Sorta sul sito di un tempio paleocristiano, già citato nel Condaghe di san Pietro di Silki, è ricostruita in stile romanico pisano nel XIII secolo (di cui rimane il grande campanile a canna quadrata con torretta ottagonale settecentesca) e, successivamente, rinnovata in stile gotico catalano.
Dedicato a San Nicola di Bari o di Myra, nel XV secolo viene innalzata al rango di cattedrale.
Presenta prospetto con terminale curvilineo, suddiviso in tre specchi e ordini sovrapposti. In quello inferiore si apre un portico voltato a crociera a tre fornici, di cui quello maggiore sormontato dallo stemma della città. Nell’ordine mediano in bugnato liscio, si aprono tre nicchie che ospitano le sculture dei tre martiri Gavino, Proto e Gianuario, sormontate da fastosi medaglioni. Infine, nell’ultimo ordine è la nicchia a conchiglia con san Nicola vescovo e il medaglione con il Padre Eterno benedicente.
L’interno mononavato con quattro cappelle per lato è concluso da transetto con cupola e abside. Nel presbiterio sopraelevato si trova l’altare maggiore marmoreo che accoglie la pala cinquecentesca di bottega senese della Madonna del bosco. Il grande duomo ospita una tela dipinta da Giovanni Marghinotti con la Coena Domini, il dipinto seicentesco della Madonna del Tempietto, il Mausoleo di Placido Benedetto di Savoia realizzato nel 1807 da Felice Festa in stile neoclassico e nelle cappelle laterali i retabli di Santa Lucia e Sant’Eligio. Inoltre, ospita lo stendardo processionale della città risalente alla fine del XV secolo.
