Piazza Duomo di Siracusa, di forma semiellittica e dominata dalle facciate imponenti di questi palazzi nobiliari e da quelle barocche del Duomo e della chiesa di Santa Lucia alla Badia, è fortemente suggestiva, ed è fra le più belle d'Italia.
La splendida Cattedrale, recentemente restaurata, è integrata nell'antichissima struttura del tempio di Atena del IV sec. A.C., di cui sono ancor oggi visibili le colonne doriche.
Il tempio di Atena, di ordine dorico fu eretto nel V sec A.C. dal Tiranno Gelone, in seguito alla vittoria contro i Cartaginesi nella battaglia di Imera.
L'Athenaion era esastilo (sei colonne in facciata) periptero (le colonne circondavano la cella su tutti e quattro i lati), con 14 colonne sui lati lunghi. Il frontone recava il grande scudo della dea in bronzo dorato.
Attualmente ne restano visibili, sul fianco sinistro del duomo, alcune colonne e lo stilobate sul quale esse poggiavano, in calcare locale, mentre altri resti (tegole marmoree e gocciolatoi a forma di testa di leone) sono conservati nel Museo Archeologico Regionale Paolo Orsi. All'interno dell'attuale Duomo sono altresì ben visibili 9 colonne del lato destro del periptero e le due antistanti la cella.
Il tempio era stato preceduto da un luogo di culto risalente all VII sec. a.C., con un altare portato alla luce negli scavi dell'inizio del XX secolo, e da un primo tempio della metà del IV sec. a.C. Trattasi dunque di un luogo che è sacro da quasi 3000 anni!
Nel VII sec. d.C. fu trasformato in chiesa ad opera dell'allora vescovo Zosimo. La chiesa, di forme bizantine, era dedicata alla Natività di Maria ed inglobava il colonnato del tempio nei muri esterni, mentre nei muri più interni della antica cella furono aperti 8 archi per lato, in modo da realizzare un edificio a tre navate ciascuna conclusa da un'abside sul fondo. Furono anche eliminati i muri che dividevano il vano posteriore ("opistodomo") dalla cella e questa dal pronao. L'orientamento dell'edificio fu inoltre rovesciato e l'attuale facciata del Duomo occupa il retro del tempio.
In epoca normanna i muri della navata centrale furono innalzati e per aprirvi delle finestre, mentre l'abside fu decorata con mosaici.
Il pavimento policromo risale al XV secolo e nel 1518 la navata centrale fu coperta con il soffitto ligneo tuttora conservato. Nel XVI secolo venne inoltre innalzato il campanile.
Dopo il terremoto del 1693 che danneggiò gravemente la struttura, furono eliminate le absidi e il presbiterio fu occupato da un grande altare barocco, opera di Giovanni Vermexio, che riutilizza come mensa d'altare un blocco di architrave dell'antico tempio. Nel 1728 venne iniziata la ricostruzione della facciata danneggiata, in forme barocche, opera di Andrea Palma, conclusa nel1753. Nel 1757 vi furono aggiunte le statue della "Vergine del Piliere", di "Santa Lucia" e di "San Marziano", opera di Ignazio Marabitti, a cui si devono anche le statue di "San Pietro" e "San Paolo" ai lati della gradinata di accesso.
Nella navata destra si aprono diverse cappelle: la cappella del Battistero, col fonte battesimale ellenistico (o secondo altri normanno), la cappella di Santa Lucia con la statua in argento della Santa Patrona, rinchiusa in una nicchia periodicamente aperta per l'esposizione alla cittadinanza, la cappella del Sacramento, a pianta poligonale con affreschi del XVII sec. sulla volta, e con ciborio del 1752 di Luigi Vanvitelli, la cappella del Crocefisso, edificata al posto dell'abside minore meridionale alla fine del XVII secolo, che conserva una tela raffigurante "San Zosimo" attribuita forse ad Antonello da Messina.
In piazza Duomo sorge il palazzo Vermexio (dal nome di Giovanni Vermexio, l'architetto che lo progettò e lo realizzò nel 1629), noto anche come "Palazzo del Senato", sede del Municipio della città di Siracusa. Esso fu edificato sui resti del primo ed incompiuto tempio ionico, accanto al Palazzo Salonia - Interlandi e di fronte al palazzo Beneventano del Bosco, quest’ultimo costruito subito dopo il terremoto del 1693. All'incrocio tra la piazza e Via Picherali sorge il meraviglioso Palazzo Borgia del Casale.