Il tempio presenta una struttura architettonica composita, indicativa delle varie fasi della sua costruzione e, del resto, tipica di una terra di confine come la Lunigiana. Al primo impianto romanico si sono succeduti nelle parti superiori, specialmente esterne, elementi gotici. L’impianto iniziale lombardo-parmense (secolo XI) si può ancora riscontrare soprattutto nel portale principale con relativi capitelli esterni e, all’interno, nei capitelli figurati delle prime campate. Queste sculture vengono attribuite a Niccolò, un maestro legato alla bottega del grande Wiligelmo.
Nel 1151 il Duomo venne affidato ai canonici di San Frediano di Lucca. Inizia la seconda fase costruttiva, realizzata da maestranze lucchesi (si riconoscono affinità con la basilica di San Frediano di quella città).

Nel 1992, dopo un lungo e delicato intervento di restauro, è terminato il lavoro di “ripulitura” della facciata, al quale è seguito quello della porta laterale detta di San Giovanni, di impianto lombardo, che si apre sul fianco sud della chiesa, ponendo in risalto la fine tarsia della lunetta e il traforo dell’architrave.
All’esterno, sempre sul fianco sud oltre la porta di San Giovanni, si nota anche una meridiana e due monofore di finissima fattura; in alto al di sopra del tetto archetti inframmezzati da formelle finemente traforate, tra le quali la “Ruota”, simbolo della città di Carrara, e la “Croce” di Pisa. Interessante anche l’abside, con elegante loggetta, e il massiccio campanile alto 33 metri.
L’interno presenta tre navate divise da colonne e pilastri con archi a tutto sesto. Le colonne sono quasi tutte di stile differente, con capitelli altrettanto vari e pregevoli.
In fondo alla navata centrale due acquasantiere cinquecentesche a forma di coppa larga con vaschetta decorata di festoni e cherubini, col piede a forma di tripode e fusto ricco di fogliame, teste di angioletti e altri elementi decorativi scolpiti in bassorilievo.