Voluta da Ruggero II come voto per la grazia ricevuta essendo scampato a una tempesta approdando a Cefalù, la basilica venne costruita a partire dal 1131 e è stata dichiarata Patrimonio dell'Umanità Unesco. L'edificio è 'fuori scala' rispetto al tono non certo imperiale del tessuto urbano circostante, tanto da far pensare che la costruzione della basilica fosse il primo passo per l'edificazione di una nuova città di dignità pari a quella, se non di Palermo, almeno di Messina. Le due torri le conferiscono un aspetto al contempo stesso affascinante e preoccupante. L'illusione ottica le fa convergere, in alto, l'una verso l'altra, attenuando la massa squadrata e compatta del prospetto principale. Quest'ultimo fu arricchito nel 1472 con il portico che protegge lo splendido portale d'ingresso, come nel Duomo di Monreale. Osservando l'esterno del monumento dal lato destro (l'unico libero) si notano le merlature, di dubbia datazione, e le absidi laterali con motivi decorativi ad archi intrecciati, frequenti nell'architettura siciliana del tempo, mentre l'abside centrale ha lesene goticheggianti ad archi piani. Ampio e solenne è l'interno, a tre navate su alte colonne con capitelli figurati che reggono archi acuti a doppia ghiera; nella navata destra, fonte battesimale romanico. Dal fondo dell'abside centrale i grandi occhi scuri del Cristo Pantocrotor fissano un punto indefinito dell'irreale materia musiva «Bagliori d'oro vecchio bizantino», secondo una felice espressione di Vincenzo Consolo: da dietro il suo capo i mosaici brillanti richiamano la luce di un sole siciliano. E la figura che incarna la divinità ha fattezze pure siciliane: capelli biondi come i normanni, ma barba e sopracciglia folte e nere come gli arabi; naso dritto e labbra sottili come i greci. Questi mosaici absidali sono datati al XII secolo, mentre le vetrate delle monofore sono di Michele Canzoneri, un artista locale. Le arcate e le pareti delle tre navate sono state invece più volte modificate, ora arricchendole con marmi e stucchi, ora demolendole completamente. Ciò che vediamo oggi è il risultato di un lunghissimo ciclo di restauri. L'annesso chiostro (XII sec.), che versava in condizioni di notevole degrado, essendo stato in parte distrutto da un incendio nel XVI secolo, è stato restaurato di recente. Su piazza del Duomo prospettano alcuni palazzetti del tardo-barocco, quali il Seminario e il Palazzo vescovile, il palazzo Maria, probabile residenza regia, e il palazzo Piraino all'angolo sud con corso Ruggero.