La première cathédrale de San Donato a été construite sur la proximité d’Arezzo, Colle del Pionta, l’endroit où San Donato martyr a été enterré et vénéré, décapité en 363. En 1203, le pape Innocent III a ordonné de transférer la cathédrale dans les murs de la ville sur le site où il se trouve aujourd’hui.
La construction de la cathédrale d’Arezzo d’aujourd’hui, a eu lieu à partir de 1278, a subi plusieurs phases, qui ont été achevés seulement en 1511. La façade a été construit entre 1901 et 1914, en remplacement de la précédente, inachevée, datant du XVe siècle.