Ubicata sulla sommità del colle dove sorge la città, è posta sul sito di una chiesa paleocristiana e, probabilmente, nel luogo dove anticamente sorgeva l'acropoli cittadina.

 

La prima cattedrale di Arezzo sorgeva sul vicino Colle del Pionta, sul luogo in cui era sepolto e venerato il santo martire Donato, decapitato nel 363, ma nel 1203, papa Innocenzo III ordinò di trasferirla entro le mura cittadine e fu scelta come nuova sede la chiesa benedettina di San Pietro Maggiore. Decisiva per la nascita del Duomo fu la visita di papa Gregorio X nel dicembre del 1275, di ritorno dal Concilio di Lione. Il pontefice infatti, gravemente malato, morì ad Arezzo il 10 gennaio del 1276 lasciando alla città la somma di trentamila fiorini d'oro destinati alla costruzione di una nuova cattedrale. Vi si tenne il conclave del gennaio 1276. I lavori furono avviati nel 1278 dal vescovo Guglielmino degli Ubertini e, più volte interrotti, terminarono nel 1511. La facciata fu costruita tra il 1901 e il 1914, sostituendo la precedente, incompiuta, risalente al XV secolo.

 

Il duomo di Arezzo è ancora intitolato a San Donato e conserva sull'altare principale una pregevole arca marmorea trecentesca a lui dedicata dove è conservato il corpo del santo (la testa si conserva nel busto reliquario presso la chiesa di Santa Maria della Pieve di Arezzo).

 

La facciata fu costruita in arenaria tra il 1901 e il 1914 su disegno di Dante Viviani, in sostituzione di quella precedente, rimasta incompiuta. In stile neogotico, presenta una ricca decorazione scultorea che venne realizzata da Giuseppe Cassioli, Enrico Quattrini e dallo stesso Dante Viviani. Il prospetto è a salienti e segue la suddivisione interna in tre navate, marcata da pilastri rettangolari poco sporgenti. In basso, si aprono i tre portali, ognuno dei quali è strombato e decorato da una lunetta scolpita a bassorilievo; solo il portale centrale presenta anche una ghimberga sormontata da tre statue, ciascuna con proprio baldacchino: in alto Gesù redentore e in basso San Donato (a sinistra) e il beato Gregorio (a destra). In corrispondenza della navata centrale si apre anche un rosone circolare. Il coronamento della facciata è caratterizzato da una decorazione ad archetti pensili.

 

Il fianco destro conserva la struttura trecentesca originaria, caratterizzata dal paramento in blocchi di arenaria. È anzi visibile, a qualche metro di distanza dalla facciata, una chiara linea di demarcazione tra i nuovi blocchi di arenaria del XX secolo e quelli antichi del XIV secolo.

 

A metà del fianco destro si apre un ampio portale, con due tronconi di colonne in porfido riutilizzate da un tempio pagano. La lunetta è opera di Niccolò di Luca Spinelli. Il portale fu realizzato tra il 1330 e il 1340 in arenaria, ed è impostato su di un arco a tutto sesto e caratterizzato da un'alta cuspide; tale portale presenta affinità strutturali col Portale Maggiore del Palazzo dei Priori di Perugia. Nei pilastri frontali sono scolpite a bassorilievo le allegorie dei Vizi e delle Virtù, nella lunetta sono collocate statue in stucco e cocciopesto, opera di uno scultore orvietano o perugino; sono ivi rappresentati la Madonna in Trono, secondo l'iconografia della Madonna del latte, col bambino tra il beato Gregorio X e san Donato e due angeli reggi cortina.

 

Singolare è la storia del campanile, infatti quello attuale è il terzo campanile costruito per questa cattedrale. In principio il campanile fu realizzato unito alla cattedrale, ma le vibrazioni delle campane danneggiarono le vetrate ideate da Guillaume de Marcillat; successivamente ne fu quindi iniziata la costruzione un po' più lontano, ma una falda acquifera sotterranea ne minò la stabilità; infine, fu edificato come struttura a sé stante (posizione attuale) e solo dopo fu unito alla cattedrale mediante la realizzazione degli appartamenti dei custodi del duomo.

 

La torre attuale è a pianta esagonale ed è suddivisa in quattro ordini sovrapposti da cornicioni; mentre quello inferiore è privo di aperture, i due mediani presentano su ciascun lato un'alta monofora ogivale. Il quarto ordine, insieme alla cuspide, è frutto del completamento del campanile, realizzato nel XX secolo, ed è decorato da rosoni circolari strombate con elaborate intelaiature lapidee.

 

L'interno della cattedrale dei santi Pietro e Donato è a tre navate, ciascuna delle quali si articola in sei campate coperte con volta a crociera, ed è privo di transetto; i tre ambienti del piedicroce sono divisi fra di loro da grandi arcate a tutto sesto poggianti su pilastri polistili con i capitelli scolpiti. La navata centrale è illuminata da rosoni circolari in controfacciata e lungo la parete di destra (i rosoni della parete di sinistra sono murati). Il rosone della facciata è opera di Guillaume de Marcillat, che lo realizzò nel 1518, e raffigura la Pentecoste. Con un diametro di 3,5 metri, venne commissionato dall'Opera del Duomo, il cui nome è presente nella parte inferiore della vetrata. Nella raffigurazione, si vedono gli Apostoli seduti in cerchio con al centro la Madonna affiancata da due angeli; in alto, vi è la colomba dello Spirito Santo.

 

Di Guillaume de Marcillat e Salvi Castellucci sono anche gli affreschi che adornano la parte superiore delle pareti della navata centrale e le volte di quest'ultima. A ridosso dei pilastri tra la terza e la quarta campata, si trovano due pulpiti marmorei rinascimentali decorati con bassorilievi.