Huvudkyrkan i Lucca är dess katedral, Duomo di Lucca, byggd på 1100-talet. Strukturen står vid ena sidan av Piazza San Martino, och inuti kommer besökare att hitta den mest vördade reliken i staden: Luccas heliga ansikte (Volto Santo). Detta träkors sägs ha huggits av Nicodemus, och även om det som visas är en kopia från 1200-talet är det inte mindre viktigt för kyrkan eller staden. Det är två gånger varje år när Volto Santo firas, klädd i speciella kläder i katedralen. Kyrkan byggdes om på 1300-talet, även om campanilen (klocktornet) från den ursprungliga strukturen finns kvar, varför en båge är ganska mindre än den andra.
Andra sevärdheter i Duomo är målningar av Ghirlandaio och Tintoretto, liksom Ilaria del Carrettos grav från 1400-talet från familjen Guinigi. Det finns också ett museum i katedralen.