La costruzione della cattedrale pisana fu iniziata nel 1063 su progetto di Buscheto. Consacrata nel 1118, restaurata dopo il tragico incendio del 1595 e nel corso del secolo XIX, conserva capolavori che la rendono uno dei monumenti più celebri e celebrati: oltre alla ricca decorazione scultorea, da segnalare la porta bronzea di Bonanno Pisano, il pulpito di Giovanni Pisano, il mosaico di Cimabue e il ciclo pittorico della Tribuna.

Secondo la tradizione, fu proprio all'interno del Duomo, intorno al 1583, che il giovane Galileo Galilei, osservando una lampada che ondeggiava, fu stimolato a intraprendere la strada che lo avrebbe condotto alla scoperta dell'isocronismo dei pendoli. Vincenzo Viviani, fedele discepolo di Galileo, nel suo Racconto istorico della vita di Galileo (1654), scrive: «In questo mentre con la sagacità del suo ingegno inventò quella semplicissima e regolata misura del tempo per mezzo del pendulo, non prima da alcun altro avvertita, pigliando occasione d'osservarla dal moto d'una lampada, mentre era un giorno nel Duomo di Pisa».

Antonio Favaro dimostrò che la lampada sospesa che ancora oggi si osserva nella Cattedrale vi fu posta in epoca successiva al soggiorno pisano di Galileo. Sostenne, pertanto, che quella riferita da Viviani andava considerata una leggenda. Più recentemente, è stato dimostrato che, al tempo di Galileo, era sospesa nella Cattedrale un'altra lampada votiva – oggi conservata nel Camposanto Monumentale di Pisa.

Iniziato il 15 agosto 1152 sotto la direzione dell'architetto pisano Diotisalvi, il Battistero, capolavoro dell'architettura romanica, fu ampliato in più riprese: nel corso del Duecento da Nicola e Giovanni Pisano, nel Trecento e, infine, nell'Ottocento quando l'operaio della Primaziale pisana, Vincenzo Carmignani, coadiuvato dall'architetto pisano Alessandro Gherardesca, avviò una serie di interventi di restauro molto contestati.

Il Battistero è anche un "luogo galileiano": il 19 febbraio 1564, vi fu battezzato Galileo. L'atto di battesimo lo possiamo leggere nel Libro del battesimo al Duomo. Lettera C (1564-1568), c. 36v, 221: «Galileo di Vincentio Ghalilei fiorentino et di m.a Giulia sua donna fu batezato a di 19 ditto, compari e chavalieri forno el s.re Pompeo et m.r Haverardo de Medici in Chapella di S.to Andrea».

Costruito sul finire del secolo XIII, il Camposanto di Pisa conserva uno straordinario patrimonio di opere d'arte comprendente famose testimonianze pittoriche e una prestigiosa collezione di sculture antiche. Fino al secolo XIX conservava anche una serie di monumenti sepolcrali e busti di illustri scienziati e docenti dello Studio pisano.

Tra i monumenti sepolcrali, sono da ricordare quelli del medico e letterato Matteo Corte, dello scrittore Francesco Algarotti, distintosi nella divulgazione della fisica newtoniana, dei medici Andrea Vaccà Berlinghieri e Giacomo Barzellotti, dell'ingegnere Giuseppe Morosi di Ripafratta, del fisico Lorenzo Pignotti, dell'astronomo Ottaviano Fabrizio Mossotti, del fisico Carlo Matteucci, del chimico Giuseppe Orosi, del matematico Leonardo Fibonacci (trasferito poi nel Giardino Scotto e oggi nuovamente ricollocato in Camposanto), del naturalista Paolo Savi (trasferito all'Orto Botanico di Pisa).

Tra i busti, si segnalano quelli del botanico Gaetano Savi, del matematico e idraulico F.A. Puccinelli di Pescia, dell'agronomo Pietro Cuppari, del geologo Giuseppe Meneghini (trasferito nei locali del Museo di Storia naturale di Calci).

Il Camposanto è legato anche al nome di Galileo Galilei. Nella Cappella Aulla si trova la lampada votiva che era sospesa nella Cattedrale di Pisa al tempo di Galileo, quando egli compì forse quelle osservazioni sull'isocronismo del pendolo, riferite dal discepolo Vincenzo Viviani nel Racconto Istorico della vita di Galileo (1654). La lampada votiva oggi conservata nel Camposanto di Pisa è simile, per foggia, a quella raffigurata da Luigi Sabatelli nell'affresco della Tribuna di Galileo, che rappresenta lo scienziato pisano intento ad osservare le oscillazioni di una lampada nel Duomo di Pisa.

Iniziato nel 1173, probabilmente sotto la direzione di Bonanno Pisano, il Campanile ebbe ben presto problemi di cedimento delle fondamenta, tanto da imporre una lunga sospensione del cantiere, riaperto solo alla fine del secolo successivo sotto la direzione di Giovanni di Simone. Di grande interesse sono le sette campane bronzee fuse tra il XV e il XVIII secolo, il cui suono riproduce le tonalità della scala musicale.

La torre di Pisa è spesso associata alle prime esperienze sul moto dei gravi che Galileo Galilei vi avrebbe condotto, tra il 1590 e il 1591, alla presenza di allievi e insegnanti dello Studio di Pisa. La veridicità storica del fatto, tuttavia, appare perlomeno dubbia, anche se un'iscrizione latina, posta all'ingresso della torre, ricorda che fu dalla sommità del Campanile che Galileo condusse i celebri esperimenti sulla caduta dei gravi. «Et allora, – scrive l'allievo Vincenzo Viviani nel Racconto istorico della vita di Galileo (1654) – con gran sconcerto di tutti i filosofi, furono da esso convinte di falsità, per mezzo d'esperienze e con salde dimostrazioni e discorsi, moltissime conclusioni dell'istesso Aristotele intorno alla materia del moto, sin a quel tempo state tenute per chiarissime et indubitabili; come, tra l'altre, che la velocità de' mobili dell'istessa materia, disegualmente gravi, movendosi per un istesso mezzo, non conservano altrimenti la proporzione delle gravità loro, assegnatali da Aristotele, anzi che si muovon tutti con pari velocità, dimostrando ciò con replicate esperienze, fatte dall'altezza del Campanile di Pisa con l'intervento delli altri lettori e filosofi e di tutta la scolaresca».

La torre fu anche il luogo di un fallito esperimento di verifica da parte di Carlo Renaldini, un membro dell'Accademia del Cimento. Egli provò più volte «a pie' et a cima del campanil di Pisa», a verificare la variazione del livello del mercurio secondo l'altitudine, ma senza riuscire «a cavarne alcun frutto».

Istituita nel 1941 allo scopo di raccogliere e conservare fonti bibliografiche e documentarie su Galileo e i suoi discepoli, la Domus Galilæana conserva una ricca biblioteca con circa 40.000 tra volumi e opuscoli e un prezioso nucleo di manoscritti e documenti galileiani ricevuto in deposito dalla Biblioteca universitaria. Si segnalano, per valore e unicità, una lettera autografa di Galileo Galilei a Fra' Paolo Sarpi contenente la prima formulazione della legge di caduta dei gravi (1604), vario materiale iconografico relativo allo scienziato pisano, l'archivio di Antonio Pacinotti, inventore della dinamo e del motore elettrico, il carteggio di Antonio Favaro, curatore della monumentale edizione nazionale delle opere di Galileo (1890-1909), e gli appunti lasciati dal fisico Enrico Fermi al momento della sua partenza per gli Stati Uniti.

La Domus ha sede nei locali rimasti dell'antica Specola dello Studio pisano, primo osservatorio astronomico pubblico della Toscana, tra i più antichi in Italia, la cui costruzione fu iniziata nel 1734. Era situato in una torre a cinque piani, costruita sui resti di una più antica collocata su un lato del palazzo. Nel 1739 fu istituita presso l'Università di Pisa una cattedra di astronomia affidata a Tommaso Perelli, nominato anche direttore della Specola pisana. L'attività astronomica vera e propria iniziò soltanto nel 1846, a causa di varie difficoltà, principalmente di carattere finanziario. A partire dal 1765 Perelli poté avvalersi dell'aiuto di Giuseppe Antonio Slop de Cadenberg, che in seguito l'avrebbe sostituito alla direzione. Slop de Cadenberg iniziò una regolare attività di osservazioni e curò la pubblicazione di sei volumi di ricerche astronomiche compiute a Pisa. Fra Settecento e Ottocento lavorò presso l'osservatorio anche Giuseppe Piazzini che s'impegnò con successo per il rinnovamento della dotazione strumentaria, mentre non riuscì ad ottenere l'auspicata creazione di una nuova sede astronomica. Nel 1826, la vecchia torre astronomica, a causa della precaria stabilità, fu demolita. La Specola di Firenze e l'Osservatorio Ximeniano rimasero, così, gli unici centri astronomici attivi in Toscana.

Molte sono state le ipotesi avanzate a proposito dell'esatta ubicazione della casa natale di Galileo Galilei. Seguendo l'indicazione dell'atto di battesimo, che indicava la parrocchia di Sant'Andrea come luogo di nascita dello scienziato, sino alla metà dell'Ottocento si pensò che la casa si trovasse presso la chiesetta della Fortezza, ovvero Sant'Andrea in Chinzica. Questa convinzione era talmente radicata che nel 1864, in occasione dei festeggiamenti del terzo centenario della nascita di Galileo, sul muro della Fortezza fu posta una lapide che recitava: «Qui nacque Galileo Galilei il 18 febbraio 1564». Non si era tenuto conto, però, di alcuni importanti dettagli, primo fra tutti quello che, per nascere all’interno della Fortezza, era necessario essere figli di militari, caso questo estraneo a Galileo.

La citazione della parrocchia di Sant'Andrea, comunque, indusse gli studiosi a scartare anche un'ulteriore ipotesi secondo la quale lo scienziato sarebbe nato in una casa che il padre Vincenzo Galilei prese in affitto dalla famiglia Bocca per un anno a partire dall'agosto del 1563. Tale abitazione, "posta nel chiasso dei Mercanti", fece, infatti, sempre parte della parrocchia di San Michele; a questa evidente contraddizione con il dato fornito dall'atto di battesimo, si aggiunge il fatto che, secondo documenti di archivio, il padre di Galileo rescisse il contratto alcuni mesi prima della sua scadenza naturale.

La più probabile soluzione a tale "enigma" storico risiede nell'errata identificazione della chiesa cui fa riferimento il documento di battesimo. La parrocchia di Sant'Andrea, infatti, non sarebbe stata quella del quartiere di Chinzica, bensì l'omonima chiesa di S. Andrea Foris Portam, nella cui giurisdizione si trovava, sin dagli inizi del Cinquecento, la casa della famiglia della madre, Giulia Ammannati. Gli studiosi sono, quindi, concordi nel riconoscere in casa Ammannati, ancor oggi visibile in via Giusti, il luogo di nascita dell'illustre pisano.