Pianta a croce latina con navata unica e copertura a due falde.
Esterno: La facciata principale è caratterizzata da un impostazione che richiama lo stile classico con un pronao voltato a crociere su un basamento di cinque scalini; è coperto da una terrazza e scandito da cinque arcate a tutto sesto che poggiano su colonne binate doriche.
Sulla facciata principale si aprono tre portali e, nel secondo ordine, una finestra centrale coronata da un frontone con timpano triangolare con stemma centrale della Famiglia dè Medici.
La superficie muraria esterna è trattata con marmo brecciato nei portici laterali e nella facciata; con pietra nella fascia di coronamento. Il restante della struttura esterna, compreso il campanile, è in laterizio. La copertura dell’intero Duomo è del tipo a capanna con i colmi che si sviluppano lungo gli assi della pianta a croce. La copertura della porzione sud del Duomo si sviluppa ad un livello inferiore alla copertura predetta.Il manto di copertura è in laterizio di tipo marsigliese.
Interno: All'interno l'edificio presenta una pianta a croce latina a navata unica con copertura con struttura a capriate e soffitto cassettonato in legno sagomato e verniciato.
Le pareti sono ad intonaco dipinto; lungo le pareti laterali si dispongono gli altari, i confessionali e alcuni monumenti marmorei. Nel transetto si ergono le cappelle laterali; dal transetto destro si accede alla Cappella del Battistero con pareti decorate a stucco dipinto. La pavimentazione poggia su un vespaio ventilato di pietrame ed è realizzata in lastre di marmo.

• Pianta
  • Pianta a croce latina
• Coperture
  • La copertura dell’intero Duomo è del tipo a capanna con i colmi che si sviluppano lungo gli assi della pianta a croce. La copertura della porzione sud del Duomo si sviluppa ad un livello inferiore alla copertura predetta.Il manto di copertura è in laterizio di tipo marsigliese.
• Pavimenti e pavimentazioni
  • La pavimentazione poggia su un vespaio ventilato di pietrame ed è realizzata in lastre di marmo.
• Elementi decorativi
  • La Cappella del Battistero ha pareti decorate a stucco dipinto.

• 1575 ‐ 1594 (progettazione intero bene)
  • La costruzione della Cattedrale si inserisce nel progetto della nuova città di Livorno elaborato da Bernardo Buontalenti.
• 1594 ‐ 1604 (costruzione intero bene)
  • La costruzione dell'edificio inizio nel 1594; sebbene nel 1600 la Chiesa era praticamente terminata e nel 1602 risulti ormai officiata, fu benedetta e consacrata solo nel 1604 (27 marzo).
• 1716 ‐ 1739 (ampliamento corpo centrale )
  • Nel XVIII secolo l'edificio fu ampliato con la costruzione di due cappelle laterali che mutarono l'impianto originario ad aula in un interno a croce latina. Nel 1716 iniziarono i lavori con la costruzione della cappella sinistra che fu terminata nel 1739 (Cappella del Santissimo Sacramento); tra il 1727 e il 1737 venne realizzata la cappella destra (Cappella della Santissima Concezione di Maria)
• 1763 ‐ 1763 (ampliamento coro)
  • Nel 1763 l’assetto dell’edificio venne profondamente modificato in seguito alla costruzione della tribuna che comportò l’ingrandimento del coro e quindi l’allungamento dell’edificio.
• 1950 ‐ 1953 (costruzione corpo centrale)
  • Aggiunta dei porticati in corrispondenza del transetto
• 2015 ‐ 2017 (restauro locali parrocchiali)
  • lavori di consolidamento e restauro ai locali parrocchiali (lato ovest del complesso)
• 2017 ‐ 2017 (restauro copertura)
  • lavori di consolidamento, impermeabilizzazione e restauro al manto di copertura

• presbiterio ‐ aggiunta arredo (1990 - 2000)
  • Aggiunta di altare in e sede in legno; gli arredi sono di tipo mobile. Si ipotizza che l'intervento sia stato realizzato nell'ultimo decennio del XX secolo, ma non abbiamo fonti certe.
• cattedra ‐ aggiunta arredo (1990 - 2000)
  • Aggiunta di cattedra in legno; l'arredo è di tipo mobile. Si ipotizza che l'intervento sia stato realizzato nell'ultimo decennio del XX secolo, ma non abbiamo fonti certe.
• ambone ‐ aggiunta arredo (1990 -2000)
  • Aggiunta di ambone in legno; l'arredo è di tipo mobile. Si ipotizza che l'intervento sia stato realizzato nell'ultimo decennio del XX secolo, ma non abbiamo fonti certe.
• presbiterio ‐ aggiunta arredo (2022)
  • L'adeguamento liturgico è stato realizzato nel 2022 Vescovo committente: Monsignor Simone Giusti Architetto progettista: Anna Chiara Pieroni (Studio Tecnico Caturegli&CO.) Autore delle opere: Paolo Grigò Intervento autorizzato da SABAP per le Province di Pisa e Livorno Protocollo n. 10370 del 24/09/2020. L'intervento ha riguardato la realizzazione dei nuovi arredi, di seguito elencati: ALTARE L’altare è sostenuto da tre elementi scultorei in bronzo fuso a cera persa che sintetizzano la storia di Santa Giulia per un’altezza di cm. 80 circa ognuno, vicini l’uno all’altro in una posizione triangolare ai cui lati in ordine si sviluppa in sintesi dei momenti più significativi della storia della Santa Patrona di Livorno. Nella parte sinistra per chi guarda, è sintetizzato il rapimento di S. Giulia, nella parte centrale, il martirio della Santa e a destra. Il ritrovamento del corpo da parte dei benedettini della Gorgona. Le tre sculture in bronzo sono unite tra loro da un basamento stilizzato sempre fuso in bronzo che le tiene ferme ed hanno modo di ricevere sopra di loro il peso del marmo del piano dell’altare. AMBONE L’ambone progettato è una forma avvolgente per chi legge ed è un esempio di leggerezza con le sue traforature nelle parti laterali che richiamano l’albero della vita fino al centro dove scende di due scalini, lì a vista della cattedra si sviluppa un bassorilievo dove è illustrato in primo piano basso un panneggio (come all’apertura del sepolcro il corpo non c’è), poi sale nella parte centrale con l’albero di Jesse e nella parte superiore la Madonna col Bambino. SEDE La sede sempre in bronzo con sedile in marmo, è molto avvolgente nella sua forma che richiama un piviale, è molto traforata anch’essa come l’ambone, nella parte superiore lo stemma vescovile al centro dell’opera CERO PASQUALE Il cero pasquale in Bronzo sviluppa ne suo verticalismo il germoglio, la vita, come l’ambone e la sede. Le foglie girano e salgono lungo la struttura sagomata fino alla parte superiore alta liberando il cero.