La Cattedrale di San Nicola Pellegrino, uno dei più raffinati esempi dello stile romanico-pugliese, sorge in prossimità del porto, a ridosso di una delle sue insenature. La sua costruzione iniziò nel 1099, subito dopo la canonizzazione del santo a cui è dedicata, un ragazzo greco di 18 anni morto a Trani in odore di santità, e venne ultimata nel 1143. L'alto campanile di 59 metri, invece, venne iniziato nel 1200 e fu terminato soltanto un secolo dopo; ecco spiegata, quindi, la notevole differenza di stili architettonici tra la sua base ed i diversi piani. L'arco ogivale, che lo collega alla cattedrale, ed i primi due piani furono il frutto della bravura dell'architetto tranese Nicolaus Sacerdos, come ricorda un'iscrizione riportata sul cornicione dello stesso arco. La chiesa principale, con pianta a croce latina, è divisa in tre navate; quella centrale ed il transetto sono coperti da capriate a vista, mentre le due laterali hanno volte a crociera. Attraverso due scalette si scende nella sottostante Cripta di San Nicola, del XII secolo, costituita da 42 crociere sostenute da 28 colonne in marmo greco. Da questa cripta si scende a quella di Santa Maria, che occupa l'area dove in passato sorgeva la chiesa primitiva, sulla quale la cattedrale venne edificata nel XII secolo. È suddivisa in tre navate con volte a crociera dal profilo ribassato, sostenute da 22 colonne dai semplici capitelli non più originali. Da una piccola scala posta sulla navata sinistra si scende ulteriormente nell'ipogeo di San Leucio, un ambiente molto antico, buio e freddo di forma quadrangolare, che un tempo ospitava le reliquie del Santo, giunte a Trani durante il VII secolo. Il pavimento è costituito da lastre in pietra e si può notare, subito dopo l'ingresso, una lastra tombale. Sulle pareti invece sono visibili resti di affreschi in pessime condizioni. La facciata principale era un tempo ornata con un grande portale di bronzo scolpito in 32 formelle ciascuna raffigurante un determinato personaggio biblico. Oggi è ancora possibile ammirare questo portale all'interno della Chiesa Superiore. All'esterno, sulla parete absidale, la finestra è decorata con un cornicione dal quale sporgono molte figure fantastiche.
Intorno alla chiesa, nei suoi elementi architettonici, è frequente imbattersi in qualche simbolo antico graffito sulla pietra. Protagonista di spicco è sicuramente il simbolo del Centro Sacro, presente in numerosi esemplari nella sua forma più semplice, ad un solo quadrato. Se ne possono trovare un paio sul muretto davanti il portale d'ingresso principale (C.S. n° 1), ma è soprattutto alla base del bel campanile, lungo il sedile di pietra che lo circonda, che se ne trovano parecchi (C.S. n° 2-6).
Vanno aggiunte a questa carrellata anche alcune Triplici Cinte, che però, rispetto ai simboli del Centro Sacro, sono meno vistose e spesso appena visibili. Ne troviamo sia affiancate (T.C. n° 1) sia alternate (T.C. n° 2) ai già visti Centri Sacri.
La cattedrale sorge a breve distanza dalla chiesa Templare di Ognissanti, che all'epoca comprendeva anche la domus praeceptoria e l'ospedale, per il ricovero e l'ospitalità ai pellegrini ma soprattutto ai crociati che sbarcavano o si accingevano a partire per la Terrasanta attraverso il porto di Trani. Nella "Historia traslationis Sancti Nicolai Peregrini" ("Storia della traslazione del corpo di San Nicola Pellegrino"), il diacono Amado, vescovo di Bisceglie nel 1153, afferma che i Templari erano presenti alla cerimonia di traslazione del corpo del Santo, durante la quale si verificò un evento portentoso. Durante la processione, infatti, in un cielo completamente terso, due colonne di nuvole si levarono improvvisamente dalla Cattedrale e ciò fu interpretato come un segno divino.