Qualsiasi considerazione storica sulla fondazione del Duomo di Pistoia deve necessariamente prendere in esame i quesiti inerenti la cattedrale paleocristiana, anche se il problema è ancora oggi ben lontano dal trovare una definitiva soluzione.
Essendo la città sede episcopale fin dal V secolo, è evidente che vi doveva essere una chiesa principale della cui ubicazione, però, ancora non sappiamo molto. Del resto se non si è sicuri della sua eventuale origine longobarda, nonostante il ritrovamento di alcuni reperti relativi ai secoli VIII o IX, si è invece certi della sua presenza già ai primi del X secolo. Con tutta probabilità l'edificio è stato ricostruito nel XII secolo, non a caso nella prima metà del XII secolo il vescovo Atto consacrava al suo interno il primo altare dedicato a san Jacopo, indi ampiamente rimaneggiato subito dopo il grave incendio dei primi del secolo succesivo. Se la notizia vasariana circa l'intervento di Nicola Pisano è assolutamente priva di fondamento ciò non toglie che la cattedrale abbia assunto l'aspetto odierno proprio con la metà del XIII secolo, risultando così più che un'opera architettonica dal carattere unitario, un articolato palinsesto di interventi successivi.
Alla fine del Duecento la cattedrale, ancora priva del portico, ebbe dunque caratteristiche analoghe alle odierne, se si esclude la zona presbiteriale profondamente modificata in età moderna. I lavori proseguirono poi durante i secoli XIV e XV quando si provvide alla costruzione e alla decorazione del portico di facciata e alla copertura voltata delle navate laterali.
Con del Cinquecento la cattedrale fu ancora una volta oggetto di importanti lavori di restauro: vennero modificate le cappelle poste in testa alle navatelle laterali e l'architetto pistoiese Jacopo Lafri demolì l'antico coro mediovale per innalzare la tribuna la fine da lui stesso progettata. L'imponente volume presbiteriale, decorato dai migliori artisti fiorentini dell'epoca, modificò radicalmente lo spazio interno della chiesa dilatandone le superfici e sollevando il problema del raccordo con il corpo delle navate delle quali la centrale venne voltata per consentire un migliore rapporto tra i due volumi. Con la demolizione, alla fine del Settecento, della Cappella di sant'Jacopo, la cattedrale fu privata di un importante luogo di culto; poco dopo Giovanni Gambini procedette all'ultimo importante intervento decorativo.
Incaricato di rinnovare la zona presbiteriale, egli rimosse gli ornati tardo-manieristi del Lafri progettando, durante gli anni Trenta dell'Ottocento, una nuova decorazione di gusto neoclassico. L'aspetto conferito al Duomo da questi ultimi interventi è rimasto inalterato sino ai lavori promossi nel corso degli anni Sessanta di questo secolo volti al ripristino delle antiche strutture medioevali. I restauri provvidero innanzitutto alla rimozione delle volte della navata centrale e degli intonaci ottocenteschi dalle pareti delle navate laterali, vennero poi ripristinate le monofore, le bifore e chiuse le finestre seicentesche.
Al termine dei lavori il responsabile del restauro scrisse " Purificata la forma e restituite le proporzioni originali, il calcolato giuoco della luce conferisce al monumento mistico aspetto della grandiosità basilicale".

La storia delle più antiche fondazioni religiose della città nasce in maniera assai controversa con la questione della ubicazione della cattedrale paleocristiana. Tra le varie ipotesi avanzate dalla storiografia trova un certo credito, ma nessuna certezza, la tesi della preesistenza di un edificio religioso di più antica origine al posto dell'attuale Duomo. E'altresì stimolante pensare che la cattedrale sia sorta nella zona in cui venne edificata la chiesa romanica di S.Andrea o in quella dove fu costruita S.Pier Maggiore, ma è vero che tali ipotesi non risultano per il momento confortate da alcun documento. Considerando che la zona dove è stata poi edificata S.Pier Maggiore si chiama Memoreto l'ipotesi che l'antica cattedrale di Pistoia sorgesse dove ora è il prestigioso edificio romanico acquista verosimiglianza nella consuetudine di costruire le prime cattedrali dove sorgeva il cimitero (memoretum).