L'edificio è all'interno di un'area recintata al centro del paese, accanto agli edifici dell'ex Monte Granatico recentemente restaurati.
San Pantaleo di Dolianova è fra le chiese medievali più importanti in Sardegna. Oltre all'imponenza dell'architettura, i motivi di attrazione risiedono nel ricco ed esuberante decoro scultoreo, sia all'esterno sia all'interno, dove sono custodite importanti opere d'arte pittorica.
La chiesa sorge in un sito in cui la presenza cristiana, risalente al V-VI secolo, è testimoniata dal ritrovamento di una vasca battesimale e di un pilastrino databile alla seconda metà del X secolo.
La diocesi esisteva già nel 1089, quando il vescovo Vigilius figura come testimone all'atto di donazione del giudice di Cagliari Costantino II ai monaci benedettini di San Vittore di Marsiglia.
L'ex cattedrale dell'antica Dolia fu edificata in tre fasi tra il XII e il XIII secolo e conclusa tra il 1261 e il 1289 ad opera di maestranze provenienti dal cantiere della chiesa di Santa Maria di Bonarcado. Al 1170 si riferiscono l'impianto trinavato, i pilastri cruciformi e tratti di muratura (fase in cui ebbe un ruolo importante il "magister Bonanus" citato in una delle iscrizioni della chiesa), mentre l'alzato è pertinente al XIII secolo.
La chiesa (m 30 x 13, alta m 15 circa) è in pietra tufacea locale. Ha pianta longitudinale trinavata con unica abside a S/E e copertura lignea derivante da una variazione del progetto originario che, vista la presenza di robusti pilastri, prevedeva volte in pietra. A s. della facciata si erge il campanile.
Paraste d'angolo e lesene ritmano una divisione in specchi, mentre teorie di archetti semicircolari si contrappongono ad altri interrotti da un lobo. La stessa varietà interessa i peducci di imposta degli archetti, con soggetti fitomorfi, antropomorfi, zoomorfi e di fantasia, figure mostruose e geometriche. La ridondante decorazione si completa con l'architrave del portale d'ingresso, un marmo romano riutilizzato, con serpenti tra le canne in rilievo. All'interno si segnalano i capitelli decorati con scene del Nuovo Testamento e quello, ormai gotico, con foglie a "crochet".
Sempre nell'aula si conservano gli affreschi medioevali dell'abside, quello con l'"Albero della Vita" sul fianco d. e il "Retablo di San Pantaleo", realizzato tra la fine del '400 ed i primi del '500.

Storia degli studi
L'ex cattedrale di Dolianova è stata oggetto di numerosi studi a partire dal XIX secolo, intensificatisi nel XX, che hanno visto Giovanni Spano, Carlo Aru e Donatella Salvi indagarne gli aspetti archeologici in rapporto al territorio comunale, e Raffaello Delogu, Corrado Maltese, Renata Serra, Roberto Coroneo, Maria Cristina Cannas, Lucia Siddi, Elisabetta Borghi e Giacomo Pisano indagarne gli aspetti storico-artistici e dei numerosi restauri.

Bibliografia
G. Spano, "Antica Cattedrale di San Pantaleo", in Bullettino Archeologico Sardo, VIII, 1862, pp. 97-104;
C. Aru, "La chiesa di San Pantaleo in Dolia", in Atti del Convegno archeologico in Sardegna, Reggio Emilia, Officine Grafiche Reggiane, 1927, pp. 151-187;
R. Delogu, L'architettura del Medioevo in Sardegna, Roma, La Libreria dello Stato, 1953, pp. 15-16, 130-132, 184-188;
R. Serra, La Sardegna, collana "Italia Romanica", Milano, Jaca Book, 1989, pp. 102-109;
D. Salvi, Testimonianze archeologiche, Dolianova, Associazione archeologica parteollese, 1989, p. 9;
M.C. Cannas, "Alcuni aspetti della decorazione scultorea dell'ex Cattedrale di San Pantaleo in Dolianova: il busto del 'giudice' d'Arborea Mariano II de Bas Serra", in Medioevo Saggi e Rassegne, XVI, 1992, pp. 197-227.;
R. Coroneo, Architettura romanica dalla metà del Mille al primo '300, Nuoro, Ilisso, 1993, scheda 95;
M.C. Cannas - L. Siddi-E. Borghi, L'affresco dell'Arbor Vitae nell'ex Cattedrale di San Pantaleo in Dolianova, Cagliari, Arti Grafiche Pisano, 1994;
M.C. Cannas- L. Siddi-E. Borghi, Gli affreschi absidali di San Pantaleo in Dolianova, Cagliari, Arti Grafiche Pisano, 1997;
M.C. Cannas-G. Pisano, L'Apocalisse, ora. Il Maestro del capitello con Scena apocalittica del San Pantaleo di Dolianova, Cagliari, Tam Tam, 2003;
R. Coroneo-R. Serra, Sardegna preromanica e romanica, collana "Patrimonio artistico italiano", Milano, Jaca Book, 2004, pp. 211-219;
R. Coroneo, Chiese romaniche della Sardegna. Itinerari turistico culturali, Cagliari, AV, 2005, pp. 85-87;
A. Pistuddi, "Parrocchiale di San Pantaleo, Dolianova", in I Gioielli dell'architettura religiosa. Storia, restauri e arredi dallo stile romanico a quello neoclassico, Dolianova, Grafiche del Parteolla, 2005, pp. 39-55.