Il Duomo di Livorno dedicato a San Francesco fu realizzato sul finire del Cinquecento in concomitanza con l’inizio dei lavori per la costruzione dell’attuale Piazza Grande.
I lavori furono iniziati da Bernardo Buontalenti, ma tra la fine del XVI secolo e i primi anni del successivo continuarono sotto la direzione di Alessandro Pieroni e Antonio Cantagallina.
Al Settecento risalgono gli interventi di ampliamento della struttura con l'aggiunta di due cappelle laterali, che finirono per trasformare la pianta della chiesa da rettangolare a croce latina.
Al 1817 risale la realizzazione del campanile a pianta quadrata ad opera di Gaspero Pampaloni.
La facciata del Duomo presenta un portico con arcate a tutto sesto al quale vennero affiancati altri due portici di piccole dimensioni collocati davanti ai prospetti del transetto, mentre la zona abisidale fu trasformata con la costruzione di una esedra accanto alla quale si erge il campanile.
La cattedrale è internamente a croce latina con cappelle laterali, e coperta da un soffitto ligneo intagliato e dorato che originariamente ospitava sette dipinti.
All'ingresso della chiesa si trova il monumento funebre a Marco Alessandro del Borro, governatore di Livorno.
Dal 2006 il Duomo accoglie al suo interno il Cristo coronato di spine del Beato Angelico, mentre in facciata è presente una porta monumentale in facciata realizzata da Antonio Vinciguerra sulla quale sono raffigurati gli episodi della storia di Livorno e della sua Chiesa.