È l'esempio più mirabile dell'affascinante fenomeno di sovrapposizione e di miracolosa convivenza di elementi architettonici tanto numerosi e tanto diversi caratteristico di Ortigia. All'interno sopravvive con le sue forme il tempio dorico dedicato ad Atena, dei primi decenni del V secolo a C., e sotto di esso si scorgono chiari segni di civiltà sicula e di una probabile ara di tre secoli precedente. Il tempio è un periptero esastilo e delle sue 36 colonne in pietra calcarea rivestite da un sottile strato di intonaco dipinto, ben 24 sono ancora al loro posto, inglobate ma perfettamente visibili, nella muratura della Cattedrale. Nella parte centrale si trovava la cella, sulle cui pareti erano riprodotte scene delle battaglie equestri di Agatocle contro i cartaginesi. La trasformazione in chiesa cristiana fu attuata in epoca bizantina, quando venne alzato un muro tra le colonne e furono ritagliate, nelle pareti della cella, otto arcate per lato, ottenendo così una basilica a tre navate. Con i normanni furono sopraelevate le pareti della navata centrale e le absidi furono decorate con bei mosaici, dei quali purtroppo rimangono solo frammenti. I terremoti del 1542 e del 1693 fecero precipitare rovinosamente la facciata, che fu ricostruita tra il 1725 e il 1753 su progetto di Andrea Palma in stile barocco siciliano. La piazza del Duomo, dalla forma allungata, è chiusa a sud dall'alto prospetto della chiesa di S. Lucia alla Badia, dove oggi è custodita la famosa tela di Caravaggio raffigurante il Seppellimento di S. Lucia (1608), più volte sottoposta a restauri (in origine nella chiesa di S. Lucia in ‘terraferma’, poi nella Galleria di palazzo Bellomo).