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Iniziati i lavori nel 1099, la chiesa fu edificata sulla base di quella più vecchia di Santa Maria della Scala, cattadrale bizantina i quali resti sono ancora visibili nella sottostante ed enorme cripta, suddivisa in tre navate e che si estende per tutta la cattedrale. Verso il 1200, la costruzione era da considerarsi finita, ad eccezione del campanile.

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La tripartizione in navate dell'edificio è data da colonne binate, che sorreggono i rispettivi matronei. Le due navate laterali sono ricoperte da volte a crociera , mentre quella centrale ha delle capriate a vista.

Oltre all'arco trionfale si estende l'alto transetto, con copertura a capriate lignee, terminante con 3 absidi, di cui la centrale con diametro più che doppio rispetto alle altre 2. Il carattere sobrio e quasi disadorno della cattedrale (un tempo molto più fastosa di oggi) è dovuto ai continui rifacimenti delle decorazioni (capitelli, volta, stucchi) Per esempio, la volta a crociera costruita nel Settecento del transetto, venne  rimossa negli anni cinquanta per riportare il soffitto allo stato originale con capriate lignee a vista. Suddivisa in due unità (Cripta di San Nicola, che conserva le reliquie del santo e Cripta di Santa Maria, che risale alla costruzione precedente), la cripta ricalca la pianta dell'edificio e si distingue perchè non è sotterranea, ma al livello del terreno, in qunato l'intera basilica ad essere sopraelevata con un ingesso tramite una doppia scalinata

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Fu costruita usando la pietra di Trani, un materiale da costruzione tipico della zona: si tratta di un tufo calcareo, estratto dalle cave della città, caratterizzato da un colore roseo chiarissimo, quasi bianco.
L'esterno presenta un profilo a salienti, che appoggia sulla destra  al campanile,  attraversato sulla base da un singolare arcone a sesto acuto, facendo trasparire l'azzurro del mare e l'orizzonte. Unici elementi decorativi sono le archeggiature cieche a tutto sesto in corrispondenza dei tre portali sopraelevati di accesso. I fianchi sono solcati da sei arconi. Singolare la terminazione absidale, che per la grande altezza assume la caratteristica e monumentale raffigurazione a canne d'organo, con i tre slanciati volumi semicilindrici.