La Plaza de la Catedral ha sido objeto, en los últimos setenta años, de numerosas campañas de excavación arqueológica. La gran cantidad de datos derivados de estas intervenciones ha permitido delinear una amplia cronología de frecuentación del área a partir del período etrusco y hasta la construcción de los Milagros de Pisa, entre los siglos XII y XIV.
En la época etrusca el área tenía una función principalmente de culto. La zona estaba ocupada por edificios sagrados, como demuestran los materiales de una pequeña zanja votiva y los restos de la platea de un amplio templo; ambos descubiertos cerca de la Torre Inclinada.
En la época romana la zona se transforma en área residencial con la construcción de grandes domus fundadas hasta el siglo I a.C. Estos edificios se caracterizaban por el uso de pavimentos con mosaico también policromo y paredes decoradas con enlucido pintado. Los edificios estaban en los lados de una calle que desde el sector norte-oriental de la ciudad (edificios públicos como las termas y el anfiteatro), pasando por la actual Plaza de la Catedral, se conectaba con la red viaria a lo largo de la costa. Las domus permanecieron en uso hasta el siglo V, cuando toda el área se retransformó en área de culto, con la aparición de la necrópolis y la construcción del Baptisterio y de la Catedral.
Cabe destacar los hallazgos de sepulturas con objetos longobardos de mediados del siglo VII, que en aquel momento contaban entre los raros testimonios materiales de este período para toda la ciudad. Las excavaciones más recientes también han permitido sacar nuevamente a la luz los restos de un edificio religioso construido hacia finales del siglo X: se trata de la Catedral, posterior a la del siglo VIII atestiguada por las fuentes escritas y precedente a la románica, cuya construcción no se inició hasta el año 1064, y hoy aún visible. Todas las estructuras identificadas con las investigaciones arqueológicas han sido documentadas y cubiertas para dejar espacio al prado actual.