La Cattedrale dei Santi Pietro e Paolo, nonché Duomo di Pitigliano, è il principale luogo di culto del borgo. Sorse durante il Medioevo, sulle rovine della Parrocchia di San Pietro.
Nel corso dei secoli la cattedrale è stata rimaneggiata più volte, il restauro più significativo avvenne nel XVI secolo ad opera del conte Nicolò III Orsini.
Esternamente, la chiesa presenta una facciata in stile tardo-barocco con al centro un portale in traversino; ai lati ci sono due nicchie: quella di destra ospita la statua di San Paolo, quella sinistra custodisce la statua di San Pietro. Il timpano con il bassorilievo in marmo raffigura Maria Assunta con i Santi Rocco e Francesco.
Sulla sinistra del Santuario è presente il campanile medievale alto circa 35 metri, in tufo nella parte superiore e intonacato in quella inferiore. In passato era una torre campanaria composta da due ordini; nel 1726, in epoca medicea, venne aggiunto il terzo ordine che gli conferì l'attuale ruolo di campanile.
Internamente, la cattedrale presenta uno stile barocco settecentesco e un’unica navata con quattro cappelle ai lati che ospitano diversi capolavori risalenti al periodo dal XVII al XIX secolo, tra cui le tele raffiguranti la “Vita di San Gregorio” di Pietro Aldi. Le cappelle di destra sono dedicate alla Madonna Addolorata e al Sacro Cuore mentre quelle di sinistra a San Gregorio VII e alla Sacra Famiglia.
