Se ne hanno notizie certe a partire dal 1477 quando, per volere di Taddea Pico Malaspina, moglie del Marchese Giacomo I Malaspina, vi furono trasferiti i titoli e i beni della chiesa extra-urbana di S. Remigio e S. Pancrazio, del soppresso convento di Turano. Di S. Francesco si ha memoria in alcune vedute di fine 1500-inizio 1600 e in un graffito sulla facciata di Casa Ajola-Mussi. Da queste si può osservare che il complesso conventuale era costruito sopra un alto basamento con portico tramite cui si accedeva alla chiesa, affiancata da un grande giardino murato in cui esisteva il grande albero di pino che diede poi il nome alla limitrofa porta della cinta muraria albericiana detta Porta S. Francesco o Porta al Pino.

 

San Francesco all'occorrenza faceva le veci della vicina Pieve di san Pietro, una tra le chiese più antiche di Massa, soggetta spesso a crolli e restauri e proprio in S. Francesco furono trasferiti la titolatura, parte degli arredi e le officiature quando S. Pietro fu fatta demolire da Elisa Baciocchi tra il 1807-1815.

 

Il titolo di San Pietro fu allora trasferito alla chiesa di San Francesco. Il carattere gentilizio della chiesa conventuale, evidente fin dalla fondazione nella seconda metà del XV secolo, ribadito dalla sua destinazione a sepolcreto della famiglia, fu confermato dall'impegno profuso dai Cybo per la sua ristrutturazione nel corso del Seicento. L'operazione fu condotta da Alberico II con il determinante sostegno del fratello cardinale Alderano. Fu costui infatti non solo a finanziare l'impresa, ma ad ispirare l'intero programma decorativo. Per il tempio, quasi totalmente ricostruito tra il 1660 e il 1670, l'architetto Giovanni Francesco Bergamini e il figlio Alessandro Bergamini progettarono la sistemazione e l'arredo dell'area presbiteriale realizzando un monumentale altare maggiore, concepito come fastosa quinta scenografica al centro del presbiterio, i due altari del transetto, per i quali il Cardinale commissionò attorno al 1684 a Luigi Garzi le due tele con l'Immacolata e con la Trinità in gloria e santi, e il rivestimento marmoreo delle pareti e del pavimento.

 

Il duca Alberico II stabilì quindi che la nuova cappella, da costruire dietro l'altare destro del transetto, diventasse il mausoleo della casata. I lavori della cappella Cybo-Malaspina, il cui progetto fu inizialmente affidato all'architetto della corte di Massa, Giovanni Francesco Bergamini, iniziarono intorno al 1687; in seguito, al progetto pose mano Domenico Martinelli, architetto lucchese, legato allo studio di Carlo Fontana ed esponente della romana Accademia di San Luca, i cui disegni vennero richiesti dal duca Carlo II in persona, ispirato dallo zio, il cardinale Alderano Cybo Malaspina, segretario di stato del papa Innocenzo XI, finanziatore dell'ammodernamento artistico del Ducato e mecenate di artisti di fama, le cui opere pittoriche e scultoree sono ancora oggi presenti nello stesso Duomo. Il Martinelli contribuì a fare della cappella Cybo un'opera barocca aggiornata secondo i dettami più avanzati della Roma del tempo, disegnando un altare (destinato a contenere l'affresco di una Madonna con il Bambino del Pinturicchio, in precedenza collocato nella cappella Cybo della basilica di Santa Maria del Popolo a Roma), le porte e le sovrastanti tribune, realizzate con raffinate soluzioni artistiche, con grande uso di linee concave e con la messa in opera di marmi policromi di varia provenienza. La cappella Cybo introdusse nel ducato di Massa moderne soluzioni stilistiche che divennero modello per successive realizzazioni ad opera di artisti locali (fra le quali il santuario della Madonna delle Grazie a Carrara). Qui vennero sepolti Filippo Alfonso Gonzaga (†1728), ultimo conte di Novellara e Ricciarda Gonzaga (†1768), figlia di Camillo III Gonzaga.

 

Nel 1821 in seguito all'erezione della Diocesi di Massa l'antica chiesa di San Francesco ne divenne la cattedrale. Nel 1936, su progetto di Cesario Fellini, fu eretta la facciata marmorea.

 

All'ingresso dell'edificio sono riportati i nomi dei cittadini massesi che combatterono in Spagna durante la guerra civile, senza distinzione di schieramento politico, tra cui Francesco Massa, clochard napoletano del quartiere Soccavo (ma legatissimo alla città di Massa per via del suo cognome), che si unì alla lotta cercando una morte gloriosa che lo liberasse dal tedio della sua tristissima vita.

 

Grazie alla volontà del Vescovo Mons.Carlo Boiardi e dell'Arciprete Mons.Ugo Berti, con l'interessamento dell'Arcivescovo Mons. Giovanni Battista Scapinelli di Leguigno, nel novembre 1964 papa Paolo VI ha elevato la cattedrale alla dignità di basilica minore.