Die Kathedrale San Martino befindet sich auf dem gleichnamigen Platz. Die Außenfassade besteht aus einer Arkadenreihe.
Die Kirche wurde 1070 von Papst Alexander eingeweiht, und im Laufe der Jahrhunderte mehrmals umgebaut; zuletzt die Neuordnung der Fassade im 1637 und der Bau der Kapelle des Sanktuariums.
Die Kathedrale bewahrt zwei Kunstwerke, die für die Stadt Lucca symbolisch sind: der Sarkophag der Ilaria del Carretto, Meisterwerk des Bildhauers Jacopo della Quercia und das hölzerne Kruzifix des „Volto Santo“.
Ilaria del Carretto war die Gemahlin des Stadtherrn Paolo Guinigi von Lucca und starb 1405 im Alter von 26 Jahren. Zu ihrem Gedenken beauftragte der Gemahl den berühmtesten Bildhauer jener Zeit mit dem Bildnis. Es handelt sich um eines der bedeutendsten Skulpturwerke der italienischen Renaissance.
Vor Piazza San Martino liegt Piazza San Giovanni, auf der sich die Kirche Santi Giovanni e Reparata befindet; anliegend Piazza Antelminelli mit dem Museum der Kathedrale. Auf diesem Platz befindet sich auch der neoklassische Brunnen des Architekten Lorenzo Nottolini als Abschluss des monumentalen Aquaedukts.