Il Duomo (S. Maria la Nuova) sorse in breve tempo tra il 1174 ed il 1176 per volontà di Guglielmo II. Si narra che il re fece intraprendere la costruzione del grande edificio sacro dopo un'apparizione della Madonna, la quale gli aveva rivelato il luogo in cui era sepolto un ricco tesoro, che egli avrebbe dovuto utilizzare per uno scopo pio. Guglielmo probabilmente era spinto da un forte desiderio di non essere da meno del nonno Ruggero, fondatore della Cattedrale di Cefalù, di S. Giovanni degli Eremiti e della Cappella Palatina a Palermo. La grande chiesa sarebbe servita così a perpetuare anche il suo nome nei secoli. Per la progettazione della chiesa furono chiamati architetti islamici, legati all'arte fatimita, che trasferirono e adattarono al manufatto cristiano modi espressivi e soluzioni spaziali tipiche dell'architettura palaziale del loro paese. Malgrado le aggiunte ed i restauri non sempre felici, il duomo è giunto ai giorni nostri sostanzialmente intatto nel suo splendore. La facciata è decorata da un motivo di archetti ciechi, oggi parzialmente nascosti da un portico, realizzato nel XVIII secolo, sotto il quale si apre un grande portone dai battenti bronzei del 1186, opera di Bonanno Pisano. Lungo il fianco sinistro si svolge un altro lungo portico, opera cinquecentesca di Gian Domenico e Fazio Gagini, ed infine si incontrano le tre grandi absidi, ancora intatte e magnifiche nella loro decorazione in calcare e pietra lavica. L'interno del duomo si presenta ancora nell'aspetto che aveva nel XII secolo (a parte il soffitto ligneo, che è stato rifatto dopo un incendio nel 1811). La pianta è basilicale, la superficie vastissima: 102 m di lunghezza per 40 di larghezza. Le pareti sono quasi interamente coperte di un dorato manto musivo per un totale di 6340 mq. Il livello generale di queste decorazioni, sia riguardo al disegno che all'esecuzione, è sorprendentemente alto. L'esecuzione dei mosaici fu affidata a maestranze bizantine e l'iconografia è infatti greca. Tuttavia gli atteggiamenti rilassati dei personaggi, le loro vesti morbidamente drappeggiate, il ritmo dei movimenti, rivelano una chiara evoluzione dello stile rispetto a quello della Cappella Palatina e della Martorana, un'evoluzione tipicamente italiana. Alla fine del XII secolo, infatti, erano gli artisti italiani a detenere il primato dell'arte iconografica. Il ciclo musivo svolge il concetto del trionfo del Cristianesimo in tre diversi momenti, raffigurando: fatti anteriori all'incarnazione (Antico Testamento); episodi della vita di Gesù (Vangelo); fatti posteriori alla morte di Cristo e vita degli Apostoli (Vangelo e Atti degli Apostoli). Il tutto è dominato da un gigantesco Cristo Pantocratore (la sola mano destra è lunga due metri) nell'abside maggiore, che rappresenta la sintesi e lo scopo di tutta la complessa figurazione.

Il chiostro, anch'esso risalente all'epoca di Guglielmo II, faceva parte di un'abbazia benedettina adiacente al duomo. Si tratta di un quadrato di 47x47 m, la cui indicazione planimetrica appartiene indubbiamente all'area cristiana, ma il cui tono generale rimanda allo spirito e all'atmosfera dei cortili porticati musulmani. Gli archetti che delimitano il ricco giardinetto sono sostenuti da 228 colonnine abbinate, tutte doviziosamente decorate e con i capitelli intarsiati di motivi vegetali, animali e fantastici. È di particolare interesse il 19mo capitello della corsia occidentale, ove è raffigurato Guglielmo II che offre il duomo alla Madonna. Nell'angolo sud, in un piccolo recinto quadrato, è collocata una deliziosa fontana, la cui acqua cristallina sgorga da una colonnina intarsiata.