L'inizio dei lavori della cattedrale risalgono al XV secolo anche se la costruzione si protrasse a lungo fino al XX secolo e risulta tuttora non completata per quel che riguarda i rivestimenti marmorei, soprattutto all'esterno.

 

Sorge sul sito delle due preesistenti antiche cattedrali romaniche, unite e comunicanti, di Santo Stefano e di Santa Maria del Popolo (i cui resti sono visibili al livello della cripta). Tali costruzioni furono demolite progressivamente per far posto alla nuova cattedrale.

 

Sull'area attualmente occupata dal duomo sorgevano in passato le cattedrali "gemelle" di Santo Stefano e di Santa Maria Maggiore, comunemente chiamata Santa Maria del Popolo. Le due chiese originarie furono fondate tra il VI e il VII secolo e rinnovate successivamente, ma intorno al secolo XI-XII furono ricostruite in forme romaniche, come successe nello stesso periodo ad altri prestigiosi edifici di culto della città, ad esempio le basiliche di San Michele Maggiore e di San Pietro in Ciel d'Oro. La chiesa di Santo Stefano, più ampia, a cinque navate, era situata a nord, a fianco della Torre Civica e fungeva da cattedrale estiva, mentre quella di Santa Maria del Popolo, più raccolta, a tre navate, l'affiancava a sud ed era utilizzata come cattedrale invernale. Pur essendo ben distinte, le due chiese formavano un complesso architettonico unico, in quanto totalmente comunicanti tra loro. L'organismo risultante era pertanto certamente imponente e suggestivo, con un'unica aula a otto navate occupante per intero la larghezza dell'attuale Piazza del Duomo. Dalle indagini ottocentesche e dal disegno e dalla descrizione di Opicino de Canistris (1330) apprendiamo che le due facciate erano allineate alla Torre Civica; Santo Stefano presentava una facciata simile a quella di San Pietro in Ciel d'Oro, ma con tre portali, mentre Santa Maria del Popolo aveva una facciata a salienti, portale unico, e particolarissimi motivi decorativi composti da fasce di mattonelle smaltate, che non si ritrovano in nessun'altra basilica romanica pavese superstite, che rappresentano la più antica testimonianza dell'uso di smalto stannifero nell'Occidente cristiano. Come detto, Santo Stefano si componeva di cinque navate con volte a crociera (la centrale più ampia e alta), transetto non sporgente con volta a botte, abside semicircolare, tiburio e cupola, sormontata da un Serafino in bronzo dorato. Santa Maria del Popolo aveva una struttura simile, ma a tre navate, con l'aggiunta di due falsi transetti con volta a botte, siti in corrispondenza della prima e della penultima campata delle navate laterali. Le due chiese furono sconsacrate e progressivamente demolite con l'avanzare del cantiere rinascimentale; gli ultimi elementi a essere distrutti furono i resti delle facciate, atterrati alla fine del secolo XIX per far posto al fronte del nuovo Duomo. Moltissimi reperti delle cattedrali gemine si conservano ai Musei Civici.

 

Dopo che si era progettato di rinnovare le due antiche chiese, la costruzione della nuova cattedrale, voluta dal cardinale Ascanio Sforza, fratello di Ludovico il Moro, iniziò nel 1488 sotto la direzione dell'architetto Cristoforo Rocchi, ben presto affiancato da Giovanni Antonio Amadeo al quale alcuni studiosi attribuiscono il progetto generale. Altri autori riconoscono invece l'apporto progettuale di Bramante, per il quale la cattedrale pavese avrebbe costituito un precedente importante per il successivo progetto per la nuova Basilica di San Pietro a Roma. Altri storici mettono in evidenza la vicinanza del Duomo pavese con i contemporanei studi di Leonardo da Vinci del periodo milanese, su edifici a pianta centrale, che presentano analogie più come atteggiamento che per specifiche soluzioni.

 

Il progetto prevedeva infatti un corpo con tre navate, affiancate da nicchie semicircolari, nell'asse longitudinale, innestato su un corpo centrale triabsidato, con transetto a tre navate, e dominato da una grande cupola, raccordata mediante pennacchi triangolari all'ottagono irregolare dei pilastri. Completavano l'impianto vani ottagonali absidati posti tra i bracci della croce e destinati a sagrestie.

 

La storiografia generalmente attribuisce tale progetto originario a Bramante di cui risulta documentata la presenza in cantiere nell'agosto del 1488 per risolvere i contrasti sorti tra Rocchi e Amadeo e dare "disegnum seu planum".

 

In particolare vengono attribuiti a Bramante il progetto planimetrico, il disegno della cripta (terminata nel 1492), della parte basamentale della zona absidale dell'edificio e delle sagrestie. Nonostante il breve tempo in cui fu presente Bramante in cantiere, si ritiene che egli fosse stato in grado di dare una chiara impronta destinata a persistere durante il lunghissimo cantiere.

 

Nel progetto bramantesco, basato sull'innesto di un nucleo ottagonale sul corpo longitudinale a tre navate (come nella cattedrale di Santa Maria del Fiore a Firenze o nel Santuario della Santa Casa di Loreto, allora in costruzione), sono stati rintracciati numerosi riferimenti a riprova della vasta cultura dell'architetto, tra cui il progetto originario della basilica di Santo Spirito del Brunelleschi (per l'impianto generale, le sagrestie e le cappelle semicircolari sporgenti dal perimetro), la basilica di San Vitale a Ravenna e la basilica di Santa Sofia a Costantinopoli (per quel che riguarda la cupola e il suo alzato con due ordini di sostegni).

 

La prima pietra fu posata il 29 giugno 1488; i lavori presero avvio sotto la direzione del Rocchi e dell'Amadeo, inizialmente con la supervisione del Bramante. Nel 1490 visitarono il cantiere, dando il loro contributo, anche Leonardo da Vinci e Francesco di Giorgio Martini. La prima parte a venire completata fu la cripta, nel 1492. Amadeo, affiancato dal 1498 da Gian Giacomo Dolcebuono, ebbe il ruolo preminente nella conduzione del cantiere e nella definizione della maggior parte degli alzati mediante un modello ligneo del 1495, realizzato da Rocchi e Giovan Pietro Fugazza e ancora oggi esistente. Nel 1496 risulta parzialmente completata la sacrestia settentrionale (che sarà conclusa solo nel 1636), mentre quella meridionale viene iniziata nel 1505 (sarà completata nel 1676).

 

Il cantiere della cattedrale proseguì lentamente attraverso i secoli con diverse fasi costruttive, ritardi dovuti alla mancanza di fondi e gravi problemi strutturali. Nel Cinquecento diresse a lungo i lavori Pellegrino Tibaldi ma le opere proseguirono in modo discontinuo, tra interruzioni e ripensamenti. Addirittura, nel 1566, disperando di completare il nuovo Duomo, si restaurò e riconsacrò la vecchia cattedrale romanica di Santo Stefano. Nel XVII secolo fu completata la parte corrispondente al presbiterio, che fu collegata alle navate del vecchio duomo demolendo l'abside romanica del Santo Stefano, consentendo quindi di utilizzare la prima porzione completata della nuova cattedrale (che fu consacrata il 24 agosto 1615). Nel 1647 e nel 1665 si completarono le navate minori est dei due transetti.

 

Nel XVIII secolo si mise mano al corpo centrale dell'edificio, completando la posa degli otto titanici pilastri dell'ottagono e innalzando, sotto la direzione di Benedetto Alfieri, l'altissimo tamburo, aperto da sedici finestroni, che nel 1766 fu portato fino all'altezza dell'imposta della cupola e poi coperto da un soffitto provvisorio in legno, destinato però a durare per oltre un secolo.

 

All'inizio del XIX secolo il Duomo era ancora sostanzialmente fermo al braccio longitudinale, completo a est in corrispondenza del presbiterio e ancora incompiuto a ovest in direzione della facciata, e all'ottagono centrale della cupola. Per qualche tempo si pensò a un riadattamento neoclassico dell'esistente secondo un progetto di Carlo Amati e Luigi Malaspina, che però non fu realizzato. Le speranze di completare la cattedrale come da progetto, completa dei due transetti, erano minime: nel 1832, in sostituzione del transetto sud, fu realizzata la Cappella di Sant'Agostino, pure in stile neoclassico, destinata a ospitare l'omonima Arca marmorea e le spoglie del Santo, dopo la soppressione della Basilica di San Pietro in Ciel d'Oro. Tale cappella sarà poi demolita neppure un secolo dopo per la costruzione del transetto, mentre l'Arca verrà restituita alla basilica romanica, restaurata e riaperta al culto. Chiusa la parentesi neoclassica, nel 1855 si completarono le tre navate ovest del braccio longitudinale, quelle del piè di croce, senza tuttavia metter mano alla facciata. Nello stesso 1855 si impostò, con linee d'ispirazione bramantesca, l'abside maggiore del transetto nord, tuttavia interrotta nel 1857 a un'altezza di soli sette metri e destinata a rimanere incompiuta per oltre settant'anni.

 

Nel 1882-1885 fu finalmente voltata la cupola in muratura a doppia calotta da Carlo Maciachini, utilizzando anche travature metalliche e una catena perimetrale metallica, concepita per contenere le spinte trasversali e scaricarle sui pilastri dell'ottagono. Tale catena si ruppe però al momento del disarmo, causando allarme in merito alla sicurezza della costruzione. Alessandro Antonelli, architetto della Mole e della cupola della Basilica di San Gaudenzio, fu chiamato a dare consulenza in merito alle problematiche statiche della cupola del Duomo.

 

Per mancanza di spazio e di fondi si rinunciò infine a realizzare la navata per tutta la lunghezza prevista, anche perché ci si convinse che le ultime cinque campate, visibili nel modello ligneo, costituissero un'aggiunta successiva all'originale progetto bramantesco a pianta centrale. Lo stesso Maciachini completò pertanto nel 1895-1898 la facciata discostandosi solo per pochi particolari architettonici dal progetto originale e lasciando la muratura al rustico, con l'eccezione di due gallerie marmoree, per la cronica mancanza di fondi. La demolizione dei resti delle facciate delle cattedrali romaniche di Santo Stefano e di Santa Maria del Popolo diede luogo a diverse polemiche, tra cui va segnalata la netta opposizione di Luca Beltrami, direttore dell’Ufficio Regionale per la Conservazione dei Monumenti.

 

La cattedrale fu infine completata addirittura negli anni trenta del XX secolo, con l'edificazione nel 1930-33 dei due bracci del transetto, realizzati secondo i disegni originali cinquecenteschi ma utilizzando una struttura portante in cemento armato, realizzata in modo tale da non alterare le linee architettoniche interne. Tale tecnica costruttiva fu necessaria sia per motivi statici, consentendo di concepire i due transetti come organismi autonomi, disturbando il meno possibile l'equilibrio della cupola, sia perché era l'unica che garantisse la possibilità di salvaguardare gli avanzi sotterranei dell'antica cattedrale medievale di Santa Maria del Popolo. I due nuovi bracci ricevettero all'interno il medesimo rivestimento marmoreo utilizzato nelle altre parti del Tempio, ma ne attendono ancora il completamento in alcune parti. La lunghissima vicenda costruttiva della Cattedrale di Pavia, sviluppatasi in un arco di oltre quattro secoli con il contributo di illustri architetti di tutte le epoche, costituisce un raro esempio di aderenza al progetto originale concepito tanto tempo addietro e di volontà nel completarlo.

 

A fianco del Duomo era situata la Torre civica, di cui si ha menzione fin dal 1330, ulteriormente innalzata nel 1583 da Pellegrino Tibaldi e crollata 17 marzo 1989. Dopo di allora sono iniziati lunghi di lavori di consolidamento alla cattedrale che presentava problemi strutturali, come del resto aveva fatto fin dall'inizio della costruzione. In particolare, i pilastri della cupola erano soggetti a forte stato flessionale, con fratture che avevano interessato anche la superficie del rivestimento marmoreo, mentre il tamburo della calotta presentava vistose crepe. Una volta completati il consolidamento statico della cupola e altri lavori urgenti di restauro sia all'interno sia all'esterno, la cattedrale è stata riaperta al pubblico domenica 14 ottobre 2012. Altre opere dovranno essere realizzate, in particolare la nuova pavimentazione interna e il ripristino dei dipinti e degli altri arredi sacri.

 

Il monumento è un edificio di notevoli dimensioni. La chiesa si sviluppa su tre navate (la centrale doppia delle laterali e percorsa da una galleria praticabile), sia nel corpo longitudinale sia nel transetto. Le navate laterali sono affiancate da cappelle semicircolari. L'interno, di purissime linee architettoniche rinascimentali, restituisce una impressione di grande imponenza, amplificata dalla luminosità dei bianchissimi rivestimenti in marmo d'Ornavasso, Angera e Carrara. Le proporzioni grandiose sono maggiormente percepibili una volta che si giunge sotto l'arditissima cupola.

 

La pianta è costituita da una croce greca a quattro bracci uguali; il braccio d'ingresso, a ovest, risulta composto da tre campate mentre i due bracci del transetto, a nord e a sud, e quello del presbiterio, a est, sono composti da due sole campate e si concludono con un'ampia abside semicircolare, avente profondità pari alla terza campata del braccio d'ingresso. Di fatto, quindi, l'edificio è ugualmente lungo e largo al transetto. Il modello ligneo mostra invece il prolungamento della navata longitudinale, che avrebbe dovuto prevedere ben otto campate. Se tale progetto fosse stato portato a compimento, avrebbe comportato numerose modifiche al tessuto urbano circostante la cattedrale, tra le quali la soppressione dell'attuale Piazza Duomo, la demolizione del palazzo vescovile e, probabilmente, della Torre Civica.

 

Sulla controfacciata, due capolavori di epoca barocca, di mano dei due principali esponenti dell'Accademia Ambrosiana: Madonna e i ss. Siro e Antonio, di Giovanni Battista Crespi, detto il Cerano, e Adorazione dei Magi, di Daniele Crespi.

 

La cupola a pianta ottagonale è alta, con la croce di sommità, 92 metri dal pavimento interno, che diventano 97 metri se si considera che la costruzione risulta leggermente rialzata rispetto al piano stradale. La diagonale maggiore della cupola è, esternamente, di 35,8 metri, mentre all'interno la diagonale massima misura 30 metri. Si ispira alla cupola del duomo di Santa Maria del Fiore a Firenze, di cui riprende la struttura composta da due calotte in muratura, l'interna con funzione strutturale e l'esterna, rivestita da lastre in piombo, con funzione di protezione alla prima.

 

La cupola è sormontata da una slanciata lanterna che riprende il disegno del modello ligneo, e appoggia su un alto tamburo con ampi finestroni. La cupola è sorretta da otto pilastri dalla forma complessa, tra i maggiori della Lombardia per dimensioni, collegati da archi e costituiti da un nucleo di mattoni e da un paramento marmoreo. A causa dell'enorme peso della cupola (20.000 tonnellate), i pilastri hanno avuto bisogno di un recente e urgente intervento di consolidamento, avendo rischiato il collasso a causa di uno stato di flessione. Altri interventi sono stati necessari al tamburo insolitamente alto che presentava fessure, probabilmente già presenti fin dal disarmo.