Strutturalmente la cattedrale ha un impianto trinavato che ripete quello della chiesa precedente di cui essa è la ricostruzione.
Lo sviluppo longitudinale dell'edificio segnato dal procedere quasi regolare delle arcate continue, dalle colonne e dai due poderosi pilastri che delimitano nell'interno gli spazi delle navate centrali dalle laterali.
L'anomalia tecnica della coppia di pilastri cruciformi, in luogo delle colonne, alzati verso l'abside, rivela evidenti ripensamenti progettuali. Probabilmente l'intenzione, subentrata all'originaria, di creare un arco-diaframma fra l'aula e il presbiterio, non convinse del tutto le maestranze, forse perché detto inserto avrebbe notevolmente ridimensionato la visione dell'abside.
L'idea, comunque abbandonata quando i pilastri erano stati già in precedenza alzati, non consentì alle maestranze pisane, per evidente economia di lavoro e di tempo, il loro abbattimento.
Gli archi a tutto sesto poggiano, a partire dai setti di separazione che aprono e concludono lo sviluppo assiale nelle navate, su quattro paraste con capitelli modanati e su dieci colonne dal fusto liscio, di cui cinque sul lato Nord e cinque sul lato Sud della navata centrale; queste ultime innalsate su plinto, presentano nella base quadrangolare modanatura classiciste a gola sporgente e a gola rientrante.
I capitelli, formati da foglie d'acqua riverse, evidenziano nella concavità dell'abaco preziose rosette con petali e teste umane piriformi.
Una spessa tavoletta fa da piano d'imposta degli archi.
L'edificio è coperto da un sistema misto, che prevede la copertura lignea a capriata sulla navata centrale e quella delle volte a crociera senza architraversi sulle navate laterali.
I paramenti murari che delimitano sui lati Nord-Sud la struttura nell'ordine inferiore e superiore, presentano la superficie traforata da monofore strombate (sei per lato) che disposte secondo un ritmo alternato, proiettano nelle navate dei segmenti di luce.
La luce, penetrando attraverso le fessure delle aperture non illumina, crea nello spazio dell'aula una bassa penombra che ancor sottolinea il senso grave della massa, parzialmente alleggeritto dalle altezze delle colonne, degli archi e delle pareti.
