La prima menzione di una pieve dedicata ai Santi Pietro e Paolo a Pitigliano risale al 1061. Nel 1276 vengono segnalate tre pievi: San Giovanni, Santa Maria e San Pietro, quest'ultima divenne in seguito "collegiata" e prese il titolo dei Santi Pietro e Paolo. Fu quindi varie volte ristrutturata, in particolar modo nel 1509 per volontà di Niccolò III Orsini, conte di Pitigliano.
La facciata è divisa in tre da quattro grandi lesene. Ai lati del cinquecentesco portale in travertino, sormontato da stucchi settecenteschi raffiguranti Cherubini che sorreggono la croce, si trovano due nicchie, in una c’è una statua di San Paolo, nell’altra trova alloggio San Pietro. Il secondo ordine della facciata è costituito da tre finestre con cornici in stucco. Il terzo si conclude con il timpano dove c’è il bassorilievo in marmo di Carrara raffigurante Maria Assunta con San Rocco e San Francesco.
L’aspetto della chiesa è quello conferitogli nel Settecento, quando furono aggiunte le cappelle laterali, la “Macchina” barocca dell’altare, l’insieme degli elementi architettonici e delle decorazioni. Tra le opere segnaliamo quelle della volta, che ospita ai quattro angoli le immagini dei quattro Evangelisti, mentre al centro c’è la Croce gloriosa.
All’esterno, sul lato sinistro della cattedrale, si trova la torre campanaria utilizzata originariamente per attività civili e militari. La struttura in principio prevedeva solo due ordini (come attesta lo stemma comunale della città di Pitigliano) ai quali in epoca medicea ne fu aggiunto un terzo, affidando alla torre il ruolo di campanile.