Il Duomo o Chiesa Collegiata sorge sul lato ovest dell' omonima piazza, monumento insigne dell'architettura romanica in Toscana. La Basilica è un vero e proprio tempio di fede e di arte: per devozione sono state finanziate e create molte delle opere fatte per la chiesa e tuttora presenti in loco o trasferite nei musei della città, commissionate attraverso i secoli agli artisti più celebri del tempo.
Lo sviluppo della chiesa riflette la crescita e l'evoluzione della città. In origine semplice Pieve costruita intorno al 1000, fu trasformata in Propositura nel 1056. La sua solenne consacrazione avvenne nel 1148 ad opera del Papa Eugenio III mentre tornava a Roma lungo la Via Francigena. Fin dal XII secolo, la Collegiata ha goduto di numerosi privilegi sanciti con Bolle e decreti papali. Questa straordinaria attenzione dedicate dalle più alte cariche ecclesiastiche alla chiesa di San Gimignano indussero anche le autorità locali ecclesiastiche e laiche ad intervenire per renderla sempre più degna della sua fama e più splendido luogo di culto.
Iniziarono quindi già nel 1239 i lavori di ampliamento e di abbellimento, a cui parteciparono gli artisti più famosi, fino a tutto il Seicento. I santi della città furono venerati e trovarono qui la loro celebrazione: Santa Fina, il Beato Bartolo, San Piero martire, il Beato Ciardo. San Geminiano, il santo vescovo modenese, ha qui la sua reliquia e il suo altare ed è celebrato il 31 gennaio anche a San Gimignano come Santo patrono. Dal pulpito della chiesa predicò Girolamo Savonarola. Diversi Cardinali furono Proposti della Collegiata: Giordano Orsini nel 1146 e Napoleone Orsini nel 1314, il napoletano Francesco Carbone nel 1389, Francesco Soderini nel 1495 e Baldassare Cossa, che fu poi l'Antipapa eletto nel 1410 e deposto nel Concilio di Costanza del 1414.
L'interno della Basilica è interamente affrescata: lungo la parete di destra troviamo Storie del Nuovo Testamento, affreschi attribuiti alla Scuola di Simone Martini, e sulla sinistra Storie del Vecchio Testamento ad opera di Bartolo di Fredi, insigni esempi di arte medievale.
Sulla controfacciata è un grande affresco con il Martirio di San Sebastiano, del 1465, e due bellissime statue lignee di Jacopo della Quercia, dell' Angelo Annunziante e la Vergine Annunziata. Sopra, affreschi di Taddeo di Bartolo raffigurante Il Giudizio Universale con i Beati e i Dannati, evidentemente ispirati all'inferno dantesco.
In una cappella del transetto è collocato il celebre duecentesco Crocifisso ligneo policromo. Nella navata di destra, ai piedi del transetto, si apre la famosa Cappella di Santa Fina, del 1468, tesoro di grande pregio, con i suoi affreschi di Domenico Ghirlandaio raffiguranti San Gregorio che annuncia a Santa Fina la sua morte prossima e Le esequie della santa, e l'elegante altare, opera di Benedetto da Maiano.