Esempio perfettamente conservato di stile romanico, la Collegiata (o Duomo) di Santa Maria Assunta è stata fin da subito uno dei punti di riferimento artistici della zona. Personaggi illustri ne hanno finanziato la costruzione ed i successivi ampliamenti, mentre i migliori artisti dell'epoca l'hanno decorata ed abbellita con le loro opere.

La Collegiata di Santa Maria Assunta si trova in piazza del Duomo, alla sinistra il Palazzo Comunale. Il luogo è ricco di antiche costruzioni. Vi si trovano infatti anche il Palazzo dei Ghibellini Salvucci e le sue due torri difensive, il Palazzo Chigi-Useppi ed il Palazzo del Podestà, con la torre detta "Rognosa", antico centro di detenzione fino al Trecento.
All'inizio della sua storia, la Collegiata è una pieve, trasformata in Propositura dal pontefice Vittorio II nel 1056. Viene consacrata come cattedrale nel 1148, durante una sosta di un altro Papa, Eugenio III, di ritorno a Roma lungo la via Francigena. La storia di questo edificio è accompagnata nel corso degli anni da privilegi concessi da vari altri capi della Santa Sede, come quelli della bolla papale 1182, emessa da Lucio III e confermata nel 1220 da Onorio III e nel 1241 da Innocenzo IV.
È anche grazie a questa continua attenzione da parte di Roma che le autorità locali si mobilitano continuamente per fare della Collegiata una delle chiese più ricche e affascinanti del senese, come dimostrano i lavori di ingrandimento e abbellimento del 1238, proseguiti senza soluzione di continuità fino a tutto il XVII secolo. Viene posta al suo interno anche la reliquia di San Gimignano, il vescovo di Modena che, secondo la leggenda, si materializzò sulle mura della città per scongiurare l'assalto dei Goti. Il suo altare, ogni 31 gennaio, è oggetto di celebrazione da parte dei sangimignanesi. Numerosi personaggi noti della storia della chiesa si sono avvicendati sul pulpito della cattedrale. Tra questi si ricordano Girolamo Savonarola e Baldassarre Cossa, l'antipapa che fu deposto nel 1414 dal Concilio di Costanza.
L'interno della cattedrale, consacrata Basilica nel 1939, è decorato da notevoli affreschi. Le pareti di sinistra e destra presentano rispettivamente le "Storie del Vecchio Testamento" di Bartolo di Fredi, e la "Storia del Nuovo Testamento" attribuita a Barna da Siena. Nella navata centrale si trovano le due statue lignee di Iacopo della Quercia, che aprono la visuale al "Martirio di San Sebastiano", del grande pittore rinascimentale Benozzo Gozzoli. È considerata la principale ricchezza del duomo la Cappella di Santa Fina, del 1468, che conserva gli affreschi di Domenico Ghirlandaio e l'altare di Benedetto da Majano.