La Cattedrale di Sant'Agata, situata al centro dell'isola quindi nel cuore del Borgo antico, si innalza sulla stretta via Duomo e dà il fianco alla via Antonietta De Pace, la strada maestra, che congiunge direttamente la chiesa al castello.
La chiesa risale al 1726, allorchè furono portati a compimento i lavori progettati da Giovan Bernardino Genuino, ma la sua costruzione iniziò nel 1628, tre anni dopo l'abbattimento dell'antica chiesa del'XI secolo, dedicata a San Giovanni Crisostomo e, probalbilmente, sull'area di una più antica moschea.
La facciata di questa chiesa, intitolata sin dal 1126 a Sant'Agata, patrona di Gallipoli, è realizzata in carparo ed è opera del leccese Giuseppe Zimbalo, uno dei grandi maestri del barocco leccese, che qui, ancora una volta, ebbe modo di esprimere il trionfo del barocco. Questo prospetto, terminato nel 1696, si sviluppa in due ordini: il primo disegnato prima del 1629 dall'architetto Giovan Bernardino Genuino appare severo e rigoroso nelle linee doriche delle colonne e nella trabeazione; il secondo, disegnato sicuramente dopo il 1650, denuncia l'influenza stilistica dell'architetto Giuseppe Zimbalo.
Nel primo ordine le lesene scompartiscono lo spazio entro il quale si aprono tre portali, di cui il maggiore è sormontato dalla statua di Sant'Agata, ai lati del portale maggiore, in apposite nicchie, a sinistra la statua di San Fausto, a destra quella di San Sebastiano compatroni della città. Fra le metope classiche è inserita una balaustra che riproduce i rilievi del colonnato lungo l'intera facciata, sui due portali laterali appare una finestra quadrata, artisticamente incorniciata.
Il colonnato dorico del secondo ordine si sviluppa in più esili e leggere colonne, sempre scanalate, ma dal capitello ionico. Anche qui si ripropone lo schema salentino della struttura tardo-rinascimentale, sicchè sulla struttura strettamente statica della parte inferiore vengono poste sovrastrutture squisitamente ornamentali, con una decorazione più ricca ed elaborata, costituita da volute, figure antropomorfiche e fitomorfiche. Alle statue dell'ordine inferiore sono sovrapposte quelle di anta Teresa D'Avila e Santa Marina. All'interno dei pinnacoli estremi laterali sono posti i busti a tutto tondo di San Giovanni Crisostomo e di Sant'Agostino.
L'interno della cattedrale appare più equilibrato rispetto all'esuberanza della decorazione barocca della facciata. La chiesa, a croce latina è suddivisa in tre navate da dodici colonne doriche realizzate in carparo scandite da archi a tutto sesto che sorreggono il bellissimo architrave che percorre la chiesa lungo il perimetro; il cornicione sostiene l'attico su cui si aprono gli ampi finestroni, intervallati dalle tele, la magistrale tettoia è decorata con le tele di Nicola Malinconico.
Le navate laterali sostengono le volte a crociera, festonate e ingentilite da motivi floreali e rosette; accolgono quattro cappelle per lato con magnifici altari. Nel transetto le volte più alte rispetto a quelle delle navate laterali, creano un movimento di luci che si conclude al centro della volta centrale con la grande tela quadrata del Malinconico. Nell'abside si trovano l'altare maggiore e la cattedra vescovile, inserita nel magnifico coro realizzato in noce, con cinquantuno stalli magistralmente scolpiti dallo svizzero Giorgio Aver.
La chiesa possiede tredici altari, sei nella navata destra, il maggiore, e altri sei nella navata sinistra. Gli altari della navata destra sono: dell'Incoronata, dell'Assunta, delle Anime del Purgatorio, dell'Immacolata, di San Sebastiano protettore di Gallipoli, e del SS. Sacramento. Gli altari della navata sinistra, sempre partendo dall'ingresso sono: di Sant'Isidoro Agricola, di San Francesco di Paola, dei Magi, della Madonna delle Grazie, di Sant'Agata e, infine della Madonna del Soccorso. L'altare maggiore, opera del bergamasco Cosimo Fanzago, proveniente da Napoli, in marmi policromi è un pezzo straordinario di arte settecentesca; l'opera destinata originariamente alla Cappella dei Filomarini nella chiesa dei SS. Apostoli a Napoli, fu acquistata dal Vescovo dalla sua stessa famiglia per un ingente somma e qui collocato. E' un capolavoro su cui soffermarsi: intarsi con pietre dure colorate, madreperle, lapislazzuli disegnano fiori, angeli, farfalle, ghirlande in un brillante intreccio; benchè non si distacchi dai moduli settecenteschi rivela un'armonia compositiva e cromatica di grande efficacia.
La cattedrale possiede opere pittoriche di grande prestigio, fanno parte della quadreria della chiesa:
Tele del Coro: sulla parete di fondo è raffigurato il "Sepolcro di Sant'Agata"; sulla sinistra la "Piscina Probatica" che narra l'episodio evangelico della guarigione del paralitico; sulla destra è raffigurato l'"Ingresso di Gesù a Gerusalemme", questi dipinti furono realizzati da Nicola Malinconico. Sulla cupola del coro è posto il medaglione con l' "Eterno Padre fra gli Angeli", le faccette della crociera presentano scene del Vecchio Testamento.
Tele dell'Abside: l'"Adorazione dei vegliardi", "Mosè che percuote la roccia", il "Sacrificio di Isacco", "Scene di combattimento", tutti episodi del Vecchio Testamento.
Nei semilunotti sulla facciata dell'arcata absidale sono illustrati la "Consegna di Sant'Agata alla cortigiana Afrodisia", "Agata nel carcere", il "Supplizio di Sant' Agata" e, a seguire, "San Pietro che medica la Santa". Conclude la storia il "Martirio sulla brace ardente con la marte di Sant'Agata" e "La morte di Sant'Agata e il terremoto".
La grande tela quadrata della cupola compone la vicenda del "Martirio di Sant'Agata": sono raffigurati con maestria cromatica gruppi e personaggi in un arioso movimento.
Sulle pareti dell'attico, tra i finestroni, è illustrata la leggenda locale del ritrovamento della mammella amputata di Sant'Agata. Il racconto si svolge su dieci tele che rappresentano gli eventi prodigiosi che si svolsero nell'agosto del 1126: le sacre reliquie sarebbero state trafugate a Costantinopoli e trasportate in barca verso l'Italia, infatti la seconda scena descrive il dono di una mammella della Santa alla città di Catania ove essa è tutt'oggi venerata. Le scene successive narrano le vicissitudini che portarono la santa reliquia a Gallipoli; e proprio dopo il ritrovamento, sul lido della città, del seno reciso della martire catanese che sorse a Gallipoli il culto della Santa. Nella cattedrale si conserva come venerata reliquia il seno di Sant'Agata, se pur in parte, poichè la porzione superiore, trafugata in un tempo imprecisato, si trova nella chiesa di Santa Cetrina d'Alessandria a Galatina. Fu il Vescovo Filomarini, nell'abbellimento e rinnovamento del duomo
a volere che fosse raccontata ai fedeli la storia della Santa tanto venerata.
Il soffitto è un cielo appeso totalmente decorato con inseriti tre medaglioni; il primo entrando raffigura la "Visita di San Pietro alla Santa in carcere" (detto della "Medicazione"). Il medaglione centrale mostra l'apoteosi della Santa; l'opera è di "maniera" ma di grande pregio. L'ultimo medaglione, più movimentato e brillante, descrive il "Miracolo di Sant'Agata che ferma l'eruzione dell'Etna col velo".
Sulla parete di fondo sul portone centrale vi è la telera con "La cacciata dei profanatori del tempio". Tutte le pitture fin qui descritte sono tutte opere di Nicola Malinconico.
Nel transetto sono invece di Giovanni Andrea Coppola le tele della SS. Trinità sulla porta della sagrestia e sul lato opposto a destra dell'altare del SS. Sacramento, il San Giorgio. Le tele più in alto che rappresentano alcune delle Virtù sono di autore sconosciuto.
Nel 1721, alla morte del pittore Nicola Malinconico il Vescovo Filomarini chiamò il figlio Carlo per completare l'opera. A questi sono dovute le tele dell'"Annunziata", sulla porta del cappellone e la "Visitazione" al suo interno. Nella sacrestia, entrando sulla sinistra troviamo, "S. Eligio e S. Menna", vescovo africano, lo si nota dal colore delle mani, è attribuito al Catalano.
NAVATA SINISTRA DALLA PORTA DALLA PORTA MAGGIORE VERSO L'ALTARE CENTRALE:
1) Altare di Sant'Isidoro Agricola; la tela che descrive il miracolo del Santo mentre fa scaturire l'acqua dalla roccia è di autore finora ignoto. L'altare è stato sepolcro di cittadini insigni di Gallipoli.
2) Altare di San Francesco di Paola, con il Santo che scaccia il maligno da un indemoniato (1653), è opera di G.A. Coppola.
3) Altare dei Magi, (1652): con l'adorazione e al centro la vergine Maria, opera di G.A. Coppola.
4) Altare della Madonna delle Grazie; è raffigurata la Madonna con ai suoi piedi San Giovanni Battista e Sant'Andrea. La tela, anteriore al 1626, è considerata il capolavoro di G. Domenico Catalano.
A completare questo magnifico prospetto, a cornice della Madonna in Gloria, sono applicati undici preziosi quadretti commissionati al Coppola con episodi della vita della Madonna e il e il martirio dei due Santi.
TRANSETTO SINISTRO:
5) L'altare, cinto da una balaustra marmorea policroma, sontuoso nella sua prospettiva architettonica è dedicato a Sant'Agata. La telera di G.A. Coppola (1650) narra il martirio della Santa; l'altare regge quattro colonne corinzie dagli alti pulvini che portano un frontone con una sottostante cornicetta, così da formare un piccolo timpano, quasi una cappella entro la chiesa.
6) La tela sull'altare dedicato alla Madonna del Soccorso è di autore ignoto; le pitture laterali sono invece di N. Malinconico.
TRANSETTO DESTRO:
7) Altare del SS. Sacramento: la tela di F. Giordano raffigura il trionfo dell'eucarestia con San Giovanni Nepumoceno e San Tommaso d'Aquino.
8) Altare di San Sebastiano, compatrono di Gallipoli: la tela di N. Malinconico rappresenta il martirio del Santo.
9) Altare dell'Immacolata Concezione, l'unico in pietra leccese, è tipicamente barocco con le colonne tortili e le decorazioni tipiche di questo stile, la tela è del cappuccino Facis.
10) Altare delle Anime del Purgatorio, l'opera commissionata a G.A. Coppola nel 1642 descrive la rappresentazione dei tre stadi della purificazione.
11) Altare dell'Assunta, col quadro di G.A. Coppola (1650): raffigura gli apostoli e la Maddalena al sepolcro vuoto di Cristo.
12) Altare del'Incoronata, è un'opera incompiuta di G.A.Coppola, completata da altro pittore.