La chiesa venne edificata nel XIII secolo su un'area dove sorgeva un edificio di epoca romana. Fu quasi completamente distrutta da un incendio nel 1190. Fu completata nel XIV secolo e rimaneggiata più volte.

 

La cattedrale si trova in cima ad una scalinata. In cima alle scale ci sono 2 terrazze.

 

La facciata risale al XIII secolo ma fu oggetto di diverse modifiche, l'ultima nel Cinquecento.

 

Il pregevole rosone centrale venne iniziato nel 1515 e fu compiuto sotto il vescovo Billioti fra il 1517 ed il 1523. Le sue vetrate non sono originarie e risalgono ai lavori di restauro ottocenteschi.

 

Il portale maggiore, con arcata a sesto acuto, ha un portone di Antonio Bencivenni del 1521 ed è costituito da quattro pannelli superiori (raffiguranti l'Annunziata, l'Arcangelo Gabriele, San Pietro e San Paolo) e sei pannelli inferiori aggiunti nel 1639.

 

Alla destra della facciata si erge la torre campanaria, del XIV secolo.

 

All'interno, la concattedrale presenta una struttura a croce latina. La chiesa è suddivisa in quattro navate, con tre navate di maggiori dimensioni e la quarta affiancata alla navata di destra. Ci sono due file di archi a tutto sesto sorretti da colonne con capitelli corinzi. Sia la navata maggiore, sia le due navate laterali, sono coperte con capriate lignee a vista. Il transetto, invece, è coperto con volta a crociera.

 

All'inizio della navata esterna destra c'è la fonte battesimale, realizzata da Piero di Moricone da Lugano nel 1507.

 

Nell'interno, sulla controfacciata, è un affresco di Ferraù Fenzoni detto "il Faenzone" raffigurante il Giudizio Universale, opera eseguita nel 1596, che prende spunto dal Giudizio Universale di Michelangelo nella Cappella Sistina.

 

Il superbo coro ligneo fu realizzato tra il 1521 ed il 1530 da Antonio Bencivenga e da suo figlio Sebastiano.

 

Nell'abside è sito un crocifisso dipinto su tavola, risalente alla metà del Duecento mentre a sinistra del presbiterio è sita la Cappella Cesi, voluta dal vescovo Angelo Cesi ha nella volta degli affreschi del Faenzone del 1599. Dello stesso autore è anche il dipinto sito sull'altare della cappella.

 

La cripta accoglie tre sculture che precedentemente erano site sulla facciata ed attribuite a Giovanni Pisano ed al Rubeus oltre alla Madonna lignea col Bambino, la Sedes Sapientiae, fino a qualche tempo fa conservata e venerata nella chiesa di Santa Maria in Camuccia.

 

Lungo il corridoio che fiancheggia il lato sinistro del duomo e accessibile dalla scalinata che conduce alla cripta è presente una esposizione di arte sacra e del Tesoro della Cattedrale.

 

Nel braccio sinistro del transetto, si trova l'organo a canne. Lo strumento, che è stato costruito negli anni sessanta del XX secolo dalla ditta organaria Pinchi, riutilizza parte del materiale fonico di un precedente strumento, opera di Angelo Morettini, risalente al 1841; l'organo attuale , a trasmissione elettrica, ha due tastiere di 61 note ciascuna ed una pedaliera concavo-radiale di 32. Esso composto di due corpi sonori: a pavimento, con mostra composta da canne del registro di principale, si trovano le canne relative al Grand'Organo (prima tastiera) ed al Pedale; sulla soprastante cantoria, entro la cassa barocca dell'organo Morettini, invece, si trovano le canne dell'Espressivo (seconda tastiera).