Die nach dem heiligen Martin benannte Kathedrale von Lucca wurde der Überlieferung nach auf Geheiß des 588 verstorbenen Bischofs von Lucca, San Frediano, errichtet.
Die Kathedrale wurde zwischen 1060 und 1070 vollständig neu gebaut und 1070 von Anselmo da Baggio, der bereits Papst Alexander II. geworden war, in Anwesenheit der Gräfin Mathilde von Canossa feierlich geweiht. Die Arbeiten wurden in wechselnden Phasen bis 1637 fortgesetzt und mit dem Bau der Cappella del Santuario (Heiligtumskapelle) abgeschlossen.
Die von der des Doms von Pisa inspirierte Fassade mit ihrem vielfarbigen Marmor, dem großen Säulengang an der Piazza mit den drei Bögen und den herrlichen Flachreliefs, die das Martyrium des Heiligen Regulus, den Zyklus der Monate und die Geschichten des Heiligen Martin darstellen, ist ein Meisterwerk der romanischen Architektur in Lucca und ist, Guidetto da Como zu verdanken. In der Lünette am Eingang des linken Seitenschiffs kann dagegen die außergewöhnliche Absetzung Christi von Nicola Pisano aus dem Jahre 1260 bewundert werden.
Unter dem Portikus der Kathedrale befanden sich die Stände der Geldwechsler, die mit den Pilgern auf der Via Francigena, der antiken Straße nach Rom, die durch Lucca führt, Handel trieben: Aus diesem Grund erinnert eine monumentale Inschrift die Geldwechsler daran, die Kunden nicht zu betrügen. Das geheimnisvolle Labyrinth, das in einen der Pfeiler eingemeißelt ist, könnte auch ein Symbol für eine Pilgerreise oder ein Kunstwerk im Zusammenhang mit den Templern sein, da es stark an das Labyrinth auf dem Boden der Kathedrale von Chartres erinnert.
Der dreischiffige Innenraum bietet dank seiner gotischen Formen einen stimmungsvollen Rahmen und beherbergt zahlreiche Kunstwerke wie die Thronende Madonna mit Kind und Heiligen von Domenico Ghirlandaio und das Letzte Abendmahl von Jacopo Tintoretto.
In der Kathedrale befindet sich auch das Heilige Antlitz, ein hölzernes Kruzifix, das der Überlieferung nach von Nikodemus nach dem echten Antlitz Jesu angefertigt wurde. Die Statue, die als die älteste des Westens gilt, wurde in einem prächtigen Tempel aus dem 15. Jahrhundert von Matteo Civitali aufgestellt.
Ein weiteres wertvolles Kunstwerk in der Kathedrale ist das Grabdenkmal für Ilaria del Carretto, das Jacopo della Quercia zwischen 1406 und 1408 schuf: ein wahres Meisterwerk aus Marmor, das die junge Adelige, die Ehefrau von Paolo Guinigi, darstellt, die sehr jung im Kindbett starb und die der Bildhauer als schönes schlafendes Mädchen darstellte, mit einem kleinen Hund zu ihren Füßen, Symbol der ehelichen Treue.
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