Sita in piazza del Duomo, fu eretta dal re normanno Ruggero nel 1094. Essa sorse sulle romane terme Achilliane. Della primitiva costruzione, portata alla luce dal restauro del 1958, rimane soltanto una traccia negli archi a sesto acuto che decorano le tre absidi all'esterno e in quelli che, all'interno, strutturano le Cappelle del Croceffisso e dell'Immacolata, decorano le finestre di quest'ultima e segnano il passaggio fra la chiesa ed il seminario. Questo accurato restauro, volto a recuperare tutte le parti normanne occultate dai vari rifacimenti, ha segnato l'aspetto odierno del Duomo.
La facciata è opera dell'architetto Giambattista Vaccarini, che ebbe il compito di restaurarla, inserendovi le colonne marmoree dell'Odeon  e del Circo romano. Essa è articolata in colonne sovrapposte, che esprimono un movimento orizzontale ondulato.
La Porta Maggiore del Duomo, dopo essere stata adattata al Comune a seguito del terremoto del 1693, fu trasferita nella Chiesa del Santo Carcere. La Porta Nord rimasta, costruita nel 1577, che si attribuiva erroneamente al Gagini, è opera di Giandomenico Mazzolo. Il timpano, sormontato da statue posteriori, è sorretto da colonne scanalate, sormontate da un fregio continuo riccamente decorato.
All' interno è mostrata un'opera pittorica di notevole interesse artistico e storico, il grande Affresco sull'eruzione del 1669, del Mignemi o dell'acese Platania. Sul secondo pilastro a destra si trova la tomba di Bellini, portata a Catania nel 1876.
Sulla navata sinistra c'è il Martirio di Sant'Agata del 1605 del grande pittore toscano Filippo Paladino. Nei bassorilievi del coro, opera cinquecentesca di Guido Scipione, è narrata la Storia di Sant'Agata.
Le absidi furono affrescate dal romano Corradino. Nel 1958 l'architetto Raffaele Leone le liberò dagli stucchi settecenteschi e ottocenteschi, lasciando a vista la pietra lavica squadrata dell'opera normanna. Le colonne romane presenti vi furono portate dal teatro antico. All'interno dell'abside centrale si trova il coro ligneo del cinquecento. La luce proviene da una monofora normanna, recuperata dal restauro. L'abside a sinistra custodisce il tabernacolo con il SS. Sacramento.
La Cappella di Sant'Agata, posta nell'abside destra, custodisce, oltre che il ricettacolo con il Busto e lo Scrigno della santa, le uniche opere quattrocentesche rimaste a Catania: una scultura rappresentante la Vergine catanese incoronata dai SS. Pietro e Paolo; la Porta del sacello adorna di colonnine sostenute da arpie reggenti una cornice, ove si ripete la figura di Sant'Agata sull'elefante; il Monumento sepolcrale del vicerè di Sicilia don Ferrante de Acuna, in marmo con dorature, opera del messinese Antonio De Freri, che scolpì anche il portale di accesso al sacello delle reliquie. Lo Scrigno del 1579 è opera di A. La Nuara, F. De Mauro, N. Lattari, Vincenzo e Antonio Archifel, Paolo Guarna. Il Busto in argento, rivestito da gioielli, contiene il tronco di S. Agata.
Ai lati delle tra absidi normanne sono due cappelle ricavate all'interno delle due torri laterali. Quella a sinistra, la Cappella del Crocifisso, custodisce sculture e reliquari settecenteschi.
La porta di accesso è coronata da una lunetta raffigurante la Pietà di G.D. Mazzolo.
Quella a destra, anch'essa con un portale istoriato con sopra una lunetta del Mazzolo, raffigurante l'incoronazione della Vergine, conserva due sarcofagi: uno contenente le spoglie di alcuni sovrani aragonesi e l'altro i resti di Costanza d'Aragona.