L’aspetto attuale, nonostante modifiche intervenute nei secoli successivi, presenta un impianto basilicale a tre navate con cripta risalente al XII secolo.
Una radicale trasformazione della parte absidale fu realizzata alla fine del Cinquecento con la costruzione della grande tribuna e del nuovo coro.
In Cattedrale si conservano importanti testimonianze del culto di San Jacopo (l’apostolo Giacomo il Maggiore), ad esempio l’altare argenteo di San Jacopo, capolavoro di oreficeria gotica realizzato a più riprese dal 1287 fino al XV secolo. L’altare si trova a metà della navata destra nella cappella del Crocifisso, dove è custodito anche lo straordinario reliquiario gotico di Lorenzo Ghiberti.
Il reliquiario racchiude un frammento osseo del santo apostolo fatto arrivare direttamente da Santiago di Compostela nel 1144 per volontà del santo vescovo di Pistoia Atto.
Il corpo di Atto è esposto in un’urna sopra l’altare nella cappella in fondo alla navata destra. Nella cappella, all’interno di un prezioso braccio-reliquiario del Trecento, si conserva anche una reliquia di San Zeno di Verona, titolare della Cattedrale. Ai piedi del presbiterio è collocata un’antica croce dipinta opera di Salerno, figlio di Coppo di Marcovaldo (1274 circa).
Nella testata della navata sinistra si apre la cappella del SS. Sacramento, già chiesino a sé stante dedicato alla Madonna di Piazza. Qui è collocata una tavola raffigurante la Vergine col Bambino tra i santi Donato e Giovanni Battista opera di Andrea del Verrocchio e Lorenzo di Credi (1474-1479 circa).
Ad Andrea del Verrocchio spetta anche, nonostante integrazioni e notevoli trasformazioni, il monumento a Niccolò Forteguerri collocato in cima alla navata sinistra.
Sull’altro lato si trova il cenotafio gotico attribuito al senese Agostino di Giovanni (1336-1339) dedicato al poeta e giureconsulto Cino da Pistoia (1270-1336), amico di Dante e celebre giurista all’università di Bologna.