Il centro storico di Polignano a Mare è ricco di arte e architettura religiosa e civile. Tutto il centro storico si sviluppa in una rete di stradine e piccole viuzze lastricate in pietra, strette e serpeggianti, dove si possono osservare case a torre, numerose scale, logge e terrazzi con vista mare lungo il ciglio di una roccia che strapiomba nelle acque dell’Adriatico.
È possibile entrare nel centro storico dall’Arco Marchesale conosciuto anche come Porta Grande, una cinta muraria effettuata nel 1530 e poi diventata nel 1780 unica via di accesso al paese. Sulla volta a botte dell'arco Marchesale è visibile una tela rappresentante la crocifissione di Cristo risalente alla fine del cinquecento ma di cui non si conosce l'autore. L'arco Marchesale è sormontato da una chiesetta, costruita verso la metà del ‘500 e dedicata alla Madonna. In seguito all'ammodernamento settecentesco la chiesa prese il nome della Confraternita di S. Giuseppe. Oggi l'arco Marchesale divide il borgo nuovo da quello antico, offrendo al visitatore una porta aperta al cuore del centro medievale di Polignano con tutte le bellezze ancora custodite.
Prima di oltrepassare l’Arco Marchesale è possibile osservare sul lato destro il complesso architettonico Palazzo Marchesale costituisce la dimora cittadina dei feudatari e si configura come un edificio complesso e pluristratificato, in cui a partire dal XV secolo si aggiungono elementi strutturali e decorativi di età rinascimentale e moderna. Il nucleo principale risale alla seconda metà del XV secolo e corrisponde al Sedile, che conserva ancora il prospetto medievale di gusto neogotico, con ingresso ad arco ogivale e volte a crociera. La parte centrale, con il grande portone d'ingresso, è di chiara ispirazione rinascimentale e, insieme alla facciata progettata dall'architetto Sante Simone, negli ultimi decenni dell'ottocento, conferisce all'edificio un aspetto monumentale. La regolarità geometrica della fabbrica è ritmata al piano terra e al nobile, rispettivamente da fughe di porte e finestre, da lesene terminanti con capitelli di tipo corinzio, mentre su una cornice sorretta da mensole a volute si innalza un secondo piano. All'interno lo spazio residenziale si organizza intorno ad un cortile con una loggia settecentesca tre ordini e uno scalone che conduce al piano nobile. Nella prima metà del XIX secolo il palazzo viene ampliato a comprendere il tratto iniziale di via Muraglie, innestandosi su parte delle antiche mura urbiche con un ordine pensile. Tale aggiunta, se si osserva da piazza Garibaldi fuori le mura, è riconoscibile dalla scarpatura del cinquecentesco basamento (ex-mura) su cui si innalza il palazzo, abbellito da una loggetta con doppio arco con ordine pensile.
Superato l’Arco Marchesale continua il nostro percorso osservando architetture civili sul lato sinistro troviamo Palazzo San Giuseppe viene realizzato nella seconda metà del XIX secolo, a ridosso dell'arco Marchesale, a seguito di un progetto di generale ristrutturazione delle fortificazioni e più in particolare della torre sede del corpo di guardia, della quale mantiene pressoché lo stesso ingombro. Il palazzo si affaccia su via Mulini e su piazza Garibaldi e si sviluppa su due livelli. Il prospetto su piazza Garibaldi presenta una ampia balconata al secondo livello. Il prospetto su via Mulini è scandito al livello inferiore da quattro arconi a tutto sesto, mentre al livello superiore, delimitato in basso da una cornice marcapiano, si aprono quattro finestroni rettangolari con architrave lineare. È sta la prima sede del museo dedicato a Pino Pascali.
Continuando su via dei Mulini si incontra la Chiesa del Purgatorio, risalente al XVIII secolo. La facciata è concavo-convessa, suddivisa in due ordini, con un portale sul cui architrave si notano, in bassorilievo, teschi, ossa e clessidra, gli elementi tipici delle chiese destinate a tale funzione. In passato nella chiesa venivano seppelliti i bambini e i poveri del paese; una botola nella sagrestia, infatti, dà accesso all’antico cimitero sotterraneo. L’interno, con unica navata e con pianta centrale a cupola, presenta degli altari barocchi policromi, adornati con angeli e putti. L’altare maggiore presenta, sui lati del frontale, lo stemma della famiglia Leto, feudatari dal 1713 al 1792. Sul pavimento, addobbato con piastrelle maiolicate, spicca la decorazione di un’aquila. Il coro ligneo è posto alle spalle dell’altare maggiore, mentre l’organo, risalente al 1743, si impone nella cantoria. Lungo le pareti si possono ammirare cinque tele tra le quali spiccano quelle di Andrea Miglionico (1663-1735), San Michele e le Anime Purganti.
Tra le principali architetture di Polignano a Mare rientra a pieno titolo la Chiesa Matrice intitolata a Santa Maria Assunta. La Chiesa, affacciata sulla piccola piazza Vittorio Emanuele, cuore del centro storico, fu consacrata nel 1295 dal vescovo Guglielmo e di seguito ha subito numerosi interventi che ne hanno modificato sensibilmente l'impianto originario. Attualmente si estende su di un ampio sagrato, delimitato da una alta cancellata in ferro, che costituisce parte integrante del complesso architettonico. Allo stile romanico-pugliese si aggiungono inserimenti decorativi e strutturali gotici, rinascimentali e barocchi. La facciata a cuspide ha uno sviluppo semplice e lineare; nell'ordine inferiore, al centro, si apre un grande portale architravato e decorato da sculture e bassorilievi; nell'ordine superiore si apre una elegante bifora gotica. L'articolazione degli spazi interni è definita da una navata centrale e da due navate laterali, scandite da due file di sei colonne. Il presbiterio rialzato è delimitato da una balaustra marmorea su cui domina l'altare maggiore costruito nel Settecento. Dietro, l'imponente coro ligneo realizzato fra il 1611 e il 1773 con effetti dorati e figure di santi. Sull'altare maggiore sopraelevato è scenografico il Cappellone del martire San Vito, patrono della città, con le reliquie del santo. Fu cattedrale fino al 1818, quando la piccola diocesi di Polignano fu aggregata a quella di Monopoli. All'interno sono custodite alcune opere attribuite allo scultore Stefano da Putignano, attivo tra il XVI e il XVII secolo, e l'importante Polittico della Madonna con Bambino e Santi, del XV secolo su tavola dorata di Bartolomeo Vivarini oltre ad una moltitudine di altre piccole opere ed a preziosi paramenti sacri. A sinistra della facciata della Chiesa Matrice, sulla cosiddetta cappella del Presepe, si alza un maestoso campanile, alto 23,75 metri, a tre ordini, costruito in tempi diversi. Il basamento con due finestre fu costruito in epoca rinascimentale (1503); nel 1649, a seguito di un'opera di consolidamento del perimetro, sono state realizzate le strutture del secondo ordine e della cella campanaria.
Sempre in Piazza Vittorio Emanuele II è possibile osservare il Palazzo dell'Orologio che appare sovrastare la Piazza, il palazzo si struttura su tre livelli. Di proprietà della famiglia Della Corte nel XVIII secolo, viene ceduto al marchese La Greca nel 1812, quando l'intero complesso accoglie gli uffici amministrativi municipali. La facciata, scandita da cornici marcapiano, presenta quattro finestre: due al primo piano, sormontate da timpani mistilinei del tipo 'a baffo'; due al secondo piano con timpani. Tra le due finestre del primo piano è collocato lo stemma comunale della città. In alto al centro, nella seconda metà del Settecento, fu installato un orologio meccanico che sostituì una precedente meridiana, in cui è possibile osservare una nicchia con la statua del Patrono San Vito e un campanile a vela.
Passeggiando lungo il percorso delle balconate di Polignano a mare si nota la piccola chiesetta dedicata a Santo Stefano, è uno degli edifici più antichi di Polignano a Mare, realizzata intorno all'XI secolo. L'esterno è semplice, con il portale sormontato da una lunetta e con un piccolo campanile a vela. L'interno, più volte rimaneggiato, presenta un unico ambiente suddiviso in due campate pavimentato con lastre in pietra calcarea: la prima campata con volta a cupola lenticolare, la seconda con volta a botte, motivo architettonico riconducibile ad altre chiese coeve in Puglia.
Poco fuori il centro storico, in direzione sud del lato mare, troviamo la Fondazione ed il Museo d'Arte Contemporeanea dedicato all'opera di Pino Pascali. L’attuale sede è Il mattatoio comunale, costruito tra il 1911 e il 1913, abbandonato nel 1984 e successivamente sottoposto ad interventi di ristrutturazione. L'ex mattatoio è ora sede del Museo della Fondazione Pino Pascali. Una casa a strapiombo sul mare che l’artista tanto desiderava. L’attività della Fondazione muove i suoi passi dalla figura di Pino Pascali, uno dei più importanti esponenti durante gli anni Sessanta dell’arte italiana e internazionale. Scomparso a soli 33 anni a Roma, Pino Pascali è punto di riferimento fondamentale per lo sviluppo dell’attività espositiva del museo. Oltre a un consistente numero di opere di Pino Pascali, la Fondazione espone opere di artisti pugliesi. Il Museo dispone di una collezione permanente oltre ad offrire un cartellone di mostre temporanee che restituiscono al pubblico un’offerta culturale in linea con gli standard museali più apprezzati al mondo, tanto da vedersi assegnato il Primo Premio come Miglior Fondazione d’Arte Contemporanea d’Italia (Anno 2013).
Nel territorio extra-urbano del comune di Polignano a Mare di notevole importanza storico e culturale ci sono alcuni siti archeologici, tra cui a Nord Est Madonna di Grottole e a Sud il Sito di Santa Barbara ed innumerevoli masserie e fortificazioni rurali.
Proseguendo verso sud troviamo il Sito Archeologico di Santa Barbara. L'insediamento neolitico presente in contrada Santa Barbara dista a circa 2 km dal centro abitato a circa 60 metri d'altitudine. Nel sito archeologico, scoperto negli anni settanta, è presente una grotta carsica denominata a Sancta Barbara. La grotta possiede uno sviluppo planimetrico di 420 metri e una profondità di 15 metri, l'attuale imbocco (un pozzo di circa 3 metri) si è formato improvvisamente a causa del collasso di alcuni strati calcarei. Le ricerche hanno stabilito la frequentazione umana attorno al IV millennio A.C.
Dalla parte opposta a 3 km verso nord est di Polignano a Mare è ubicato l’insediamento archeologico di Madonna di Grottole. Il sito è composto da sessanta grotte di differente forma e dimensione frequentate dall’uomo preistorico fino all’età moderna. È uno dei siti archeologici della Puglia più ricchi di storia. Nell'insediamento di Madonna di Grottole sono stati effettuati importanti ritrovamenti di ceramiche, una tomba (risalente a VI millennio A.C.) con uno scheletro di una mamma che stringe in posizione fetale il proprio figlio, ma anche croci risalenti ai primi cristiani. La masseria di Madonna di Grottole si imposta su di un preesistente insediamento rupestre. L’ala più antica del fabbricato risale al XV secolo e nel suo nucleo originario sono comprese parti di un antico monastero agostiniano. Alla costruzione centrale della masseria si addossa la piccola cappella denominata Madonna di Grottole. La masseria si mostra composta da più manufatti: una piccola abitazione a piano terra, un ampio locale, deposito di attrezzi agricoli, e numerose stalle in disuso.
Proiseguendo in direzione nord è ubicata invece l’Abbazia di San Vito, di fondazione Benedettina, progettata nel X secolo. Dal XVI secolo l'abbazia fu la dimora dei frati minori conventuali dei SS. Apostoli e nel 1785 diventò del Regio Demanio. Nel 1866 lo Stato ha venduto l'Abbazia ai marchesi La Greca, tutt'oggi ancora interamente proprietari. Il complesso fortificato consta di un ampio recinto murato, al centro del quale si erge il quadrilatero dell’Abbazia con le sue modeste torri angolari. Al pianterreno, con ingresso dal cortile interno, si erge la chiesa. Il corpo principale, formato da tre piani, comprende cinquanta vani con ambienti abitativi coperti da volte a padiglione e a botte. Al pianterreno sono situate le stalle con mangiatoie e abbeveratoi di pietra, mentre la chiesa è di proprietà del Fondo di Edifici di Culto del Ministero degli Interni è data in concessione alla Chiesa Matrice Santa Maria Assunta dove la domenica effettua la messa.
Tra le altre architetture principali dell’extraurbano si citano alcune masserie, tipiche strutture del territorio pugliese che prendono il nome dalle "masserizie" (suppellettili, mobili, attrezzi di uso contadino e pastorale, depositi di alimenti per le persone e per gli animali) che venivano conservati e protetti all'interno di grandi costruzioni in pietra dove vivevano contadini, pastori e proprietari. A tal proposito si citano Masseria Lamafico e Masseria del Crocifisso
Masseria Lamafico è ubicata a circa 5 km a Sud di Polignano a Mare, nella contrada omonima quasi al confine con il territorio di Monopoli, ai margini della Lama ancora intatta caratterizzata da macchia mediterranea e boschi di querce. La masseria fu costruita da Francesco Antonio De Luca e terminata probabilmente nel 1826, secondo la lapide posta all’ingresso; oggi proprietà della famiglia Di Grassi, versa in stato di parziale abbandono. L’impianto della masseria, di forma quadrangolare, è del tipo a corte, circondata da un recinto fortificato, dotato di un camminamento di ronda e caratterizzato da feritoie, una caditoia posta sull’ingresso e una garitta in corrispondenza dell’angolo Nord-occidentale. Masseria Lamafico è caratterizzata da un "sistema di giardini interni", adibiti ad agrumeto. Essi sono separati da recinti murari interni, realizzati come il muro di cinta dell'intero complesso, con blocchetti lapidei grossolanamente squadrati, di diverso taglio, posti in opera con una certa regolarità su filari sub-orizzontali. Una di queste aree interessate da un agrumeto, di forma rettangolare, si sviluppa a lungo il fronte settentrionale del complesso, adiacente all'ingresso secondario.
Diversamente Masseria del Crocifisso è conservata ottimamente ed utilizzata oggi come agriturismo. La masseria è ubicata a 4 km dal centro abitato. La masseria fu costruita nel 1614 su commissione di un nobile polignanese, Vitantonius Zaclia. La costruzione venne donata alla Chiesa come abitazione estiva del vescovo di Polignano a Mare. Dopo anni di restauri, la struttura è stata recuperata in ogni sua parte ed è possibile trascorrere momenti di spensieratezza e tranquillità, assorta com'è tra le morbide geometrie e le sfumature di colori degli orti vicini, la fragranza dell'aranceto adagiato nella lama vicina, il delicato cinguettio proveniente da un raro ed incontaminato angolo di macchia mediterranea.