Le strutture della città, definitesi nel corso del XII-XIII secolo, si svilupparono intorno al colle di Monteregio; qui venne edificato il castello, sede del vescovo; a poca distanza nasceva una piccola città feudale, mentre gradualmente prendeva forma anche il nucleo urbano di Cittavecchia, dove sorgono gli edifici dai caratteri architettonici più antichi.
Il vescovo, divenuto "principe" della città con il diploma del 1194 di Enrico VI, che gli donava in feudo la città di Massa ed i castelli di Monteregio, dell'Accesa e della Marsiliana, era coadiuvato dal Capitolo per l'esercizio delle funzioni spirituali, e dai Vicedomini, laici appartenenti alle grandi famiglie feudali, per quelle temporali. Il "principato" dei vescovi ebbe vita breve: nel 1216, dopo soli 22 anni, il vescovo Alberto, gravato da consistenti debiti, incalzato dalla pressione del ricco e dinamico Comune massetano, accettò di subordinarsi a Pisa.
All'inizio del secolo XIII si precisò l'organizzazione dei rapporti economici, politici, istituzionali, che porterà alla proclamazione del Libero Comune. Il 31 luglio 1225, probabilmente nella Cattedrale di San Cerbone (in ecclesia maiore apud Massam), vennero sottoscritti tra Comune, vescovo, Capitolo, e Vicedomini dei "patti". Si tratta di tre documenti, con i quali vengono corrisposte dal Comune 6500 lire pisane al vescovo, 800 ai Vicedomini, 600 al Capitolo. Cifre di tutto rispetto per l'epoca, se si pensa che un castello delle vicinanze, quello di Campetroso, più o meno nello stesso periodo, era stato venduto per 800 lire. I massetani, con queste somme, liquidarono i diritti e le prerogative feudali del vescovo.
È questa la fase di maggior espansione della Repubblica, il cui territorio comprendeva numerosi castelli: Montieri, Gerfalco, Travale, Monterotondo, Boccheggiano, Prata, Accesa, Caldana, Calvello, Campetroso, Castel Borello, Castiglion Bernardi, Colonna, Gavorrano, Montebamboli, Marsiliana, Montepozzali, Montioni, Perolla, Ravi, Rocchette, Cugnano, Tricasi, Valli. Dal 1317 la Repubblica massetana batté propria moneta, affidando a Nicolino di Iacomino Benzi di Siena l'incarico di coniare il grosso d'argento, il grossetto d'argento e il denaro piccolo o minuto in mistura, con l'immagine di San Cerbone sul recto e la croce sul verso (vedi "Il Grosso massano").
L'economia di Massa era pressoché fondata sull'attività estrattiva (vedi "localizzazione dei principali giacimenti e miniere ed epoche di sfruttamento"). Le aree minerarie più importanti del periodo, tuttora visibili, dalle quali veniva estratto argento, rame, piombo e allume, furono quelle della Castellaccia (lungo la valle del torrente Zanca), i pozzi dello Stregaio (in prossimità di Niccioleta) e quella di Serrabottini (vicino al Lago dell'Accesa). A questo periodo risale l'elaborazione del primo Codice Minerario della storia (vedi), stupendo esempio di legislazione che regolava lo sfruttamento dei campi minerari.

(antica litografia sec. XIX: Cattedrale di Massa veduta dala piazza Garibaldi)