La chiesa principale, dedicata a Santa Chiara di Assisi, sorge all’interno del centro storico nella piazza Municipio, concepita per essere il perno della vita amministrativa e religiosa della città.

Venne edificata per volontà del conte Ugolino della Gherardesca e ubicata in posizione centrale rispetto alla cinta muraria. Due iscrizioni, una in latino e l’altra in volgare toscano, poste ai lati della porta principale, ne indicano l’inizio della costruzione, prima del 1284, e l’ultimazione, prima del 1288.

Nel corso dei secoli la chiesa di S. Chiara costituì un forte punto di aggregazione. Attorno ad essa andò progressivamente crescendo quel nucleo abitativo conosciuto in epoca pisana come quartiere di S. Chiara. Divenuta residenza abituale dei vescovi sulcitani dal XIV sec., nel 1503 la chiesa di Santa Chiara veniva elevata a Cattedrale.

La ristrutturazione cinquecentesca dell’aula ha riparmiato tratti dei fianchi e la facciata gotica e l’impianto originario si presenta oggi come il risultato di un felice compromesso tra il romanico ed il gotico. Tra le modifiche apportate, oltre l’ampliamento dell’aula, la sopraelevazione del presbiterio, la copertura a volte stellari, l’apertura di due piccole cappelle per lato e l’aggiunta di due ampie cappelle quadrate che fanno da transetto alla chiesa, conferendo all’attuale pianta la forma a croce latina.

La facciata a spioventi è divisa in tre ordini. Nel primo si apre il portale. Le murature del transetto e del presbiterio sono in gran parte nascoste da altri corpi di fabbrica, mentre nel fianco sinistro due cappelle pensili a pianta semicircolare sporgono dalla muratura.
La torre campanaria a canna quadrata fiancheggia la facciata.

Degni di nota sono la campana di Andrea Pisano del 1337 ed il monumentale altare ligneo del ‘700, costruito per onorare le reliquie di Sant’Antioco, rinvenute nel 1615 nelle catacombe dell’omonima isola.