Una serie di elementi sia strutturali che decorativi, riscontrabili all'esterno e all'interno del Duomo, testimoniano inequivocabilmente che esso è il risultato di due differenti fasi costruttive. All'edificio originario, costruito da Buscheto, appartengono l'intero corpo orientale con la cupola, i due bracci del transetto e la parte del corpo delle navate direttamente collegata a quest'ultimo, mentre l'attuale facciata e la rimanente parte del braccio longitudinale sono frutto di un ampliamento successivo operato da Rainaldo. Il Duomo di Buscheto era dunque più corto di quello attuale ed era dotato di una differente facciata: alcuni resti delle fondazioni di quest'ultima sono stati messi in luce nel 1917 al di sotto dei pavimenti della navata centrale e della navatella esterna nord. Come testimonia una delle iscrizioni presenti sull'attuale facciata, la nuova cattedrale fu fondata nel 1064; la sua costruzione si protrasse per diversi decenni, ma dovette essere conclusa intorno al 1110, anno in cui Buscheto è menzionato per l'ultima volta in un documento. Senza dubbio l'edificio era agibile al momento della consacrazione, che avvenne il 26 settembre del 1118. Più problematica è, invece, la definizione cronologica della seconda fase costruttiva, quella relativa all'ampliamento del corpo delle navate, riguardo alla quale sono state formulate varie ipotesi. Alcuni studiosi ritengono che tra la prima e la seconda fase non si sia verificato alcuno stacco temporale e che, quindi, Rainaldo abbia iniziato i lavori per il prolungamento del corpo delle navate subito dopo la morte di Buscheto, la quale dovette avvenire attorno al già citato 1110, mentre secondo altri la fase rainaldiana avrebbe preso avvio verso il 1140, ossia qualche tempo dopo la terminazione della fase precedente. Riguardo all'epoca di conclusione dei lavori relativi alla parte aggiunta, in entrambi i casi si ritiene che essa debba collocarsi nella seconda metà del secolo. Un sicuro termine di riferimento al proposito è costituito dalla data 1180, documentata sui perduti battenti bronzei realizzati da Bonanno per la porta maggiore della nuova facciata. Le pareti esterne dell'edificio costruito da Buscheto sono suddivise in tre o più ordini, ciascuno dei quali presenta un'articolazione ad arcate o a specchiature rettangolari delimitate da lesene o da colonne con capitelli di tipologia prevalentemente corinzia o composita. All'interno delle arcate e delle specchiature cieche, oculi e losanghe gradonate ornati da tarsie sono disposti alternativamente o in associazione a porte, monofore, bifore e oculi luciferi, anch'essi incorniciati da tarsie e/o da elementi decorativi scolpiti.
Tale sistema di articolazione e di decorazione parietale, che costituisce una delle novità della costruzione buschetiana, servì da modello per numerosi edifici romanici posteriori non soltanto pisani; lo si ritrova applicato anche sulle murature pertinenti al prolungamento. Evidenti sono, soprattutto nell'abside maggiore che presenta due logge praticabili sovrapposte ad un primo ordine di arcate cieche, i richiami all'architettura antica.
Perno dell'intera costruzione è la cupola estradossata, che si erge al di sopra di un tamburo ottagonale (in origine privo di arconi di rinforzo) all'incrocio tra il corpo delle navate, il coro e il transetto.
Si tratta di una soluzione che, pur trovando confronti in una serie di chiese medievali italiane e della Francia meridionale, oltre che in edifici orientali, si rivela singolare per il particolare impianto di base costituito dai pilastri della crociera e da archi rampanti nascenti dai muri laterali del transetto. All'interno, il corpo longitudinale dell'edificio buschetiano presenta un impianto che ricorda quello delle grandi basiliche paleocristiane. Lo spazio è suddiviso, infatti, in cinque navate da una doppia coppia di colonne. Le colonne monolitiche in granito che delimitano la navata centrale sono di eccezionali dimensioni e sostengono capitelli di tipo corinzio e composito, in parte di reimpiego. Di spoglio sono anche alcuni dei capitelli dei colonnati che dividono le navatelle. Su questi ultimi poggiano i colonnati interni dei matronei, in origine visibili dal basso.
L'edificio buschetiano era dotato, infatti, di matronei percorribili soltanto nella zona del coro, dei transetti e nel primo tratto a partire dalla crociera del corpo delle navate. Nella restante porzione del corpo longitudinale non esisteva, invece, alcun tipo di piano. Tale porzione era dotata, dunque, di quelli che gli specialisti chiamano "finti matronei". Ai matronei del coro e, di conseguenza, a quelli contigui dei bracci del transetto, si accedeva originariamente da due scale situate nelle campate ai lati del presbiterio. Tali scale, di cui sopravvivono solo alcune rampe ricche di elementi architettonici di reimpiego, addossate alle murature orientali della chiesa, erano interamente visibili dal piano delle navate.
La parte del corpo delle navate aggiunta nella seconda fase costruttiva da Rainaldo, presenta, sia all'esterno che all'interno, lo stesso tipo di articolazione di quella buschetiana. Alcune sostanziali differenze si riscontrano, tuttavia, nell'apparato decorativo. Dal precedente edificio si distacca, inoltre, la facciata.
Quest'ultima è costituita da una parte inferiore che riecheggia nella sua articolazione le arcate cieche delle pareti buschetiane e da una parte superiore a loggette in cui è amplificato e interpretato in maniera autonoma il sistema precedentemente adottato da Buscheto nell'abside maggiore. Alla seconda fase costruttiva risalgono anche l'ampliamento della porta di San Ranieri, nel braccio destro del transetto, che nel corso degli anni ottanta del XII fu dotata degli splendidi battenti bronzei di Bonanno,
e la ristrutturazione del coro. Di quest'ultimo facevano parte alcune transenne marmoree, ora divise tra l'altare del Battistero e il Museo dell'Opera del Duomo, ed il pergamo di Guglielmo ora conservato nella cattedrale di Cagliari. Frutto di tale ristrutturazione è anche il bellissimo pavimento di tipo cosmatesco tuttora esistente nella crociera e in alcune parti del presbiterio.
