Secondo la leggenda, il Duomo di Cefalù sarebbe sorto in seguito al voto al Santissimo Salvatore da Ruggero II, scampato ad una tempesta e approdato sulle spiagge della cittadina. La vera motivazione sembra piuttosto di natura politico-militare, dato il suo carattere di fortezza. Le vicende costruttive furono complesse e fu definitivamente completato in età sveva. Un ambulacro ricavato nello spessore del muro e la medesima copertura, costituita da tre tetti, di epoca e tecnica costruttiva diversi, testimoniano dei cambiamenti intervenuti nel progetto. Il monumento ha uno stile romanico con tratti bizantini.
L’edificazione ebbe inizio nel 1131 e nei decenni seguenti furono realizzati i mosaici nell’abside e sistemati i sarcofagi porfiretici che Ruggero II aveva destinato alla sepoltura sua e della moglie. Federico II trasferì a Palermo i due sarcofagi reali nel 1215, riutilizzandoli per sé e per i suoi familiari. Nel Quattrocento tra le due torri fu inserito un portico a tre fornici, opera di Ambrogio da Como. L’edificio è preceduto da un ampio sagrato a terrazzo che svolgeva la funzione di cimitero (cimitero gerosolomitano). Era stato realizzato con terra portata appositamente da Gerusalemme, sia per motivi religiosi, sia per la sua particolare composizione che le dava la caratteristica di mummificare rapidamente i corpi che vi erano sepolti.
L’architettura del Duomo di Cefalù segue il modello delle grandi basiliche benedettine di provenienza cluniacense; con uno stile romanico legato al nord Europa arricchito da influenze arabe. La facciata è inquadrata da due possenti torri normanne, alleggerite da eleganti bifore e monofore e sormontate da cuspidi piramidali aggiunte nel Quattrocento e diverse l’una dall’altra: una a pianta quadrata e con merli a forma di fiammelle, che simboleggerebbe la mitria papale e il potere della Chiesa, mentre l’altra, a pianta ottagonale e con merli ghibellini, la corona reale e il potere temporale. Il portico quattrocentesco precede la facciata, con tre archi (due ogivali ed uno a tutto sesto) sorretti da quattro colonne e con volte a crociera. Sotto il portico rimane la Porta Regum, impreziosita da un portale marmoreo finemente decorato, e con pitture ai lati.
Le absidi, in particolare quella centrale, dovevano avere in origine uno slancio ancora maggiore. Le due laterali sono decorate superiormente da archetti incrociati e da mensoloni scolpiti: databili fra il 1215 e il 1223, raffigurano maschere, teste d’animali e figure umane in posizioni contorte. Più recenti i mensoloni dell’abside centrale, disposti inoltre in modo casuale sia sopra che sotto il cornicione. L’abside centrale aveva in origine tre grandi finestre, che vennero chiuse per la realizzazione del mosaico absidale, ed una più grande ad arco ogivale. Altre due coppie di finestre circolari sono all’estremità del transetto. Altre merlature si trovano anche su uno dei fianchi.
L’interno è “a croce latina”, diviso in tre navate da due file di colonne antiche di spoglio: quattordici fusti di granito rosa e due di cipollino, con basi e i capitelli del II secolo d.C. Due grandi capitelli figurati reggono l’arco trionfale e sono probabilmente prodotti di una bottega pugliese e risalgono alla metà del XII secolo. Il transetto ha un’altezza maggiore rispetto alle navate con un verticalismo tipicamente nordico che segue le architetture della Francia e dell’Inghilterra normanna; uno slancio ancora maggiore era previsto nel progetto originario. Sulle pareti del transetto si sviluppa una galleria portici con colonne, scavate nello spessore dell’edificio in corrispondenza del pseudo loggiato esterno. Un motivo, questo, diffuso nell’architettura anglo-normanna e presente anche nelle Cattedrale di Palermo. Il coro è coperto da due volte a crociera anche questo di origine anglo-franco-normanna. Il presbiterio, rialzato di alcuni gradini rispetto al resto della chiesa, occupa interamente la crociera e l’abside; il moderno altare maggiore è opera di Virginio Ciminaghi (1992) e presenta, al di sotto della mensa, un fregio continuo a bassorilievo bronzeo raffigurante l’Adorazione dell’Agnello.
Il chiostro annesso alla cattedrale normanna, rappresenta una delle più considerevoli testimonianze artistiche del medioevo siciliano. Si sottolinea l’eccezionale pregio del ciclo di capitelli figurati che sormontano le colonnine binate, uno dei più considerevoli nel panorama dell’arte medievale europea. Di pianta rettangolare, il chiostro è ubicato a ridosso del fianco settentrionale della cattedrale ad una quota più bassa di m 3,40 dal piano del calpestio del transetto.