A differenza di altre città, il Duomo non sorge nel mezzo del centro storico, ma in una zona decentrata, più precisamente l'angolo nord-ovest. Tale scelta deriva sia dall'espansione della vecchia città altomedioevale, molto più piccola e quindi come segno di potere, sia perché vicino all'arcivescovado e costruito sopra una precedente chiesa sempre intitolata a Santa Maria. Il mantenimento, insieme a quello del complesso monumentale, è affidato fin dai tempi della sua costruzione all'Opera della Primaziale Pisana. I monumenti della piazza secondo alcuni sono disposti secondo lo schema della Bilancia zodiacale di cui la Torre è il fulcro.

Il cuore del complesso è la Primaziale. Fondata nel 1063 e dedicata a Santa Maria Assunta, ma inizialmente nota come Santa Maria Maggiore, è una chiesa a cinque navate col transetto a tre navate, architettonicamente è composta da tre basiliche (corpo centrale e i due transetti). Non è consacrata come basilica (l'unica basilica di Pisa è San Piero a Grado). Essa è anche il Duomo di Pisa, essendone la chiesa principale e sede arcivescovile, quindi una Cattedrale. Nel caso particolare di Pisa, essendo stato conferito il titolo di Primate di Corsica e Sardegna all'arcivescovo Daiberto da Papa Urbano II nel 1092, il Duomo di Pisa è una Primaziale. Tale onorificenza, rimane oggi soltanto formale.

Cominciata nel 1063 dall'architetto Buscheto, ha dato origine al distintivo stile Romanico pisano. La ricchissima decorazione comprende marmi multicolori, mosaici (importantissimo quello del catino absidale, eseguito da varie maestranze fra cui Cimabue) e numerosi oggetti di bronzo provenienti dal bottino di guerra, fra cui il Grifone utilizzato come acroterio est del tetto. Gli archi a profilo acuto fanno riferimento ad influenze musulmane e del meridione d'Italia, soprattutto la seconda Abbazia di Montecassino

Il Battistero, dedicato a San Giovanni Battista, s'innalza di fronte alla facciata ovest del Duomo. L'edificio fu iniziato a metà del XII secolo: "1153 Mense Augusti fundata fuit haec..." (Nel mese di agosto 1153 fu fondata...). Sostituisce un precedente battistero, più piccolo, che si trovava a nord della Cattedrale. Fu costruito inizialmente in stile romanico da Diotisalvi e nella struttura originaria, voleva essere un misto tra l'Anastasis del Santo Sepolcro in Gerusalemme e la Moschea d'Omar, sempre in Gerusalemme e ritenuta all'epoca il Tempio di Salomone. Presenta una curiosa cupola troncoconica, come quella della chiesa degli Ospitalieri a Pisa, che copre solo il giro interno di pilastri (la tecnica costruttiva per una cupola emisferica o poligonale di grandi dimensioni, come a Firenze, era quasi ignota): originariamente la parte superiore era aperta lasciando un osculo, ma a differenza del Pantheon, da cui entrava la pioggia per andare a riempire la fonte battesimale, qui era solo simbolico, dato che il fonte è privo di scarichi per l'acqua. In epoca posteriore la cupola fu mascherata da un'altra calotta emisferica e l'osculo fu chiuso.

La cosiddetta Torre di Pisa è la più famosa torre pendente del mondo, nonché un monumento universalmente noto. Iniziata nel 1173, cominciò a inclinarsi sul lato prima che fosse completato il terzo ordine (1274), per via del suolo di limo sabbioso sul quale poggiano le fondazioni poco profonde, di solo tre metri. La costruzione continuò comunque fino al completamento nel 1350, quando fu ultimata la cella campanaria e vi furono poste le sette campane, essendo la torre il campanile della cattedrale. Sei degli otto piani sono circondati da una loggetta con archi a tutto sesto, che riprendono il motivo della facciata della cattedrale. L'altezza è di circa 56 metri (nella parte di contropendenza), la pendenza di circa cinque metri rispetto alla verticale nel punto più alto. In seguito ai restauri della fine del Novecento, che ne hanno assestato la pendenza, è stata riaperta al pubblico, seppure con un accesso limitato e controllato.

Non si conoscono con esattezza i vari architetti che hanno lavorato al campanile. Per anni era stato attribuita a Bonanno Pisano, negli stessi anni autore delle porte bronzee del Duomo, ma studi recenti confutano questa ipotesi e la attribuiscono piuttosto a Diotisalvi, già autore del Battistero. Pare altresì che la cella campanaria sia stata opera di Giovanni Pisano nelle vesti, stavolta, di capomastro dell'Opera.

Il Campo Santo, noto anche come Camposanto monumentale o Camposanto vecchio, si trova al limite nord della Piazza. Si tratta essenzialmente di un cimitero cinto da mura. Si dice, secondo uno schema di leggenda di fondazione tipica di altri edifici simili in tutta Europa, che il Campo Santo sia nato intorno ad uno strato di terra portato dalla Terrasanta via nave dopo la Terza Crociata dall'arcivescovo Ubaldo Lanfranchi nel XII secolo.

La sua struttura, iniziata nel 1278 da Giovanni di Simone, è quella di un chiostro oblungo in stile gotico fiorito, che però non fu completato fino al 1464, a causa della crisi provocata della sconfitta pisana nella battaglia della Meloria avvenuta nel 1284. Il muro esterno è composto di 43 archi ciechi con due porte.

I muri erano una volta affrescati: il primo affresco fu eseguito nel 1360, l'ultimo circa tre secoli più tardi. Le Storie dell'Antico testamento di Benozzo Gozzoli (XV secolo) si trovavano nella galleria nord, mentre quella sud era famosa per le Storie della Genesi di Piero di Puccio (fine del XV secolo). L'affresco più interessante è il realistico Trionfo della Morte, opera di Buonamico Buffalmacco.

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