La prima notizia storica della Chiesa di San Martino risale al 1223.
Lavori di ampliamento vennero eseguiti nell'anno 1330 e Papa Urbano VI nel 1387, dotandola del Capitolo dei Canonici, la elevò a Chiesa Collegiata, concedendole il Fonte battesimale.

L'edificio a tre navate è rivestito di marmo bianco. Sulle tre porte sono situati, sempre in marmo, bassorilievi a lunetta: al centro la Crocifissione, ai lati la Deposizione e la Resurrezione.
La porta del braccio destro del transetto (Via Garibaldi) è sovrastata dalla lunetta con S. Giovanni Battista, opera di Bonuccio Pardini (sec. XIV).
Sulla facciata si notano tre piccoli bassorilievi: uno riporta lo stemma di Pietrasanta e gli altri due attestano la dominazione sulla città da parte di Firenze e di Genova.
In alto, sopra il portone principale, primeggia lo stemma di Papa Leone X, opera dello scultore fiorentino Donato Benti (sec. XVI). Al di sopra l'elegante rosone in marmo finemente lavorato, attribuito a Riccomanno Riccomanni (sec. XIV).

Nell'interno, a croce latina, le diverse epoche hanno lasciato le proprie caratteristiche.
Il restauro più importante è stato voluto dalla Gran Duchessa Madama Cristina di Lorena nel 1627: a questo risalgono gli Altari e i Confessionali in marmo.
Le Pale dell'Altare e le tele inserite sopra i Confessionali sono opera dei pittori fiorentini presso la corte medicea.
Il grande Crocifisso che domina il catino absidale e i due putti portaceri sono pregevolissime opere bronzee del fiorentino Fernando Tacca (1649).
Il pulpito marmoreo, fra le sculture del Duomo è da considerarsi il capolavoro: la tazza esagonale con sculture in altorilievo si attribuisce a Donato Benti (1508), il piedistallo su cui poggia è attribuito a Lorenzo Stagi, la scala, ricavata da un unico blocco marmoreo è opera di Andrea Baratta (1696).
Le superfici delle pareti e dei soffitti sono dipinte, ora a chiaro-scuro, ora a colori, dal pittore milanese Luigi Ademollo negli anni 1823 - 1825.
Nella Cappella del Santissimo Sacramento è presente un Crocifisso ligneo risalente agli inizi del 1300.
Madonna del Sole.Nella Cappella opposta troviamo il dipinto a tempera su tela a sua volta incollata su legno di scuola giottesca, che rappresenta la Vergine col Bambino, opera di anonimo e datata 1424. Dietro le spalle di Maria, affiancata dai santi Giovanni Battista e Giovanni Apostolo, è raffigurato un manto che riporta più volte lo stemma della città. La tela è denominata "Madonna del Sole" perché venerata dal popolo per allontanare il flagello delle lunghe piogge.
A questo dipinto è pure attribuita l'immunità dalla peste, che nel 1630 dilagò in zona. Quest'ultima opera però è mostrata al pubblico solo in particolari ricorrenze.
La maestosa cupola, originariamente ottagonale, fu completata nel 1435 e ricostruita nel 1820 a pianta circolare.

Alla sinistra del Duomo, s'innalza il suo campanile in laterizi rossi, collocato su un basamento marmoreo e divenuto simbolo della città.
Il campanile è opera incompiuta in quanto il progetto prevedeva un rivestimento marmoreo.
Costruito fra la fine del XV e l'inizio del XVI, è alto 36 metri.
All'interno troviamo un capolavoro di scala elicoidale unico nel suo genere.
I lavori furono diretti dallo scultore Donato Benti.