Edificata sui resti di un tempio pagano e documentata come pieve nel secolo XI, non fu scelta come cattedrale quando nel 1325 venne istituita la diocesi cortonese, ma i locali annessi furono usati come residenza vescovile.

 

Nel 1507 papa Giulio II pose fine a questa anomalia trasferendovi il titolo di cattedrale dalla chiesa suburbana di San Vincenzo. Quasi in previsione del nuovo ruolo che avrebbe svolto, nella seconda metà del Quattrocento si decise il rifacimento interno.

 

La facciata reca tracce di interventi che si sono susseguiti in epoche diverse. I resti più antichi risalgono alla facciata medievale romanica e sono un pilastro con capitello e colonnette agli angoli e una parte di un grande arco; la loro collocazione testimonia quanto fosse più basso il piano dell'antica pieve, rialzato quando fu lastricata la piazza. Ricordi medievali sono anche la lunga e stretta finestra e una lastra marmorea con uno stemma trecentesco. Per il resto la facciata è quattrocentesca.

 

Il lato destro è affiancato da un loggiato che venne fatto costruire alla fine del Cinquecento e che portò alla tamponature delle finestre che si aprivano verso mezzogiorno, mentre il robusto campanile risale alla seconda metà dello stesso secolo.

 

All'interno la chiesa appare come una costruzione in stile rinascimentale, anche se le lettura delle forme rinascimentali è oggi inficiata da interventi successivi che nascondono la più rigorosa ed elegante partitura originaria. Infatti risale agli inizi del Settecento la volta a botte che copre la navata mediana, ridipinta nell'ultimo ventennio del secolo XIX dal cortonese Gaetano Brunacci; nella stessa epoca furono aperte le finestre ovali, poco più tardi costruito l'arcone trionfale, e dopo la metà del secolo messa in opera la pavimentazione.

 

La pianta longitudinale è divisa in tre navate scandite da colonne con capitello e pulvino di ispirazione brunelleschiana.

 

L'interno è ricco di opere, molte delle quali provengono da chiese cortonesi distrutte o soppresse. La prima opera di rilievo nella navata sinistra è la Madonna della Manna, teracotta dipinta del XV secolo. Collocata sull'altare Capulli si trova la tela con l'Adorazione dei pastori di Pietro Berrettini, detto Pietro da Cortona, databile al 1663 circa. È probabile che un collaboratore sia da individuare in Lorenzo, secondo cugino del Berrettini, i cui modi sono soprattutto riscontrabili nella figura della Madonna e del figlioletto. Più avanti, sempre nella navata sinistra, troviamo un crocifisso ligneo seicentesco di Andrea Sellari e una tela seicentesca di Lorenzo Berrettini raffigurante la Madonna col Bambino e Santi. In fondo alla navata abbiamo la Comunione di Maria, tela di Salvi Castellucci, e il mosaico del Redentore, di Gino Severini.

 

Nella navata destra da ricordare sono le due tele seicentesche di Raffaello Vanni, raffigurante la Trasfigurazione, e di Lorenzo Berrettini, con la morte di San Giuseppe. Molto importante è anche la Madonna del Pianto, opera in terracotta dipinta di un ignoto artista del XIII secolo.

 

Nel coro, purtroppo non accessibile e poco visibile, troviamo, tra altri dipinti importanti, la tela di Andrea Commodi con la Consacrazione della chiesa del Santissimo Salvatore (1607), trasportata nel Duomo alla fine del Settecento dall'oratorio del San Salvatore per il quale era stata realizzata. Sempre nel coro si conserva la tavola con la Discesa dello Spirito Santo, databile fra il 1528 e il 1529 e attribuita a Tommaso Bernabei detto il Papacello che, almeno queste due, avrebbero bisogno di una maggiore visibilità. La rappresentazione della Pentecoste trova qui un'iconografia curiosa e originale con gli astanti che da un cornicione osservano la Madonna e gli Apostoli collocati nel piano inferiore. Oltre a citazioni più colte (Raffaello e Baccio Bandinelli) il Papacello richiama se stesso nel paesaggio archeologico dello sfondo, ripetuto dal ciclo da lui stesso affrescato nel Palazzone Passerini di Cortona.

 

Sulla cantoria nell'ultima campata della navata laterale destra si trova l'organo a canne storico, costruito nel 1840 dal fiorentino Antonio Ducci riutilizzando il materiale fonico di uno cinquecentesco di Giovanni di Antonio Piffero, che a sua volta era stato più volte modificato. L'organo, a tastiera unica e pedaliera con ottava scavezza, dispone di 26 registri ed è a trasmissione meccanica; la mostra è costituita da tre cuspidi di undici canne ciascuna, inserite in un vano ad arco nella parete anteriore della cassa.

 

La sacrestia della cattedrale conserva numerose testimonianze di oggetti di culto, alcuni dei quali di notevole qualità. Ne è un esempio il calice lasciato in eredità dal vescovo Gherardi nel 1749: in oro zecchino decorato a sbalzo e bulino, è uno degli oggetti più significativi dell'oreficeria del Settecento, probabilmente di manifattura romana come tre dei quattro busti reliquiario che vengono esposti solo in rare ed importanti cerimonie. Accanto ad oggetti di oreficeria si conservano importanti pianete del Sei-Settecento, fra le quali una seicentesca splendidamente ricamata e un parato in terzo, sempre del Seicento, decorato col motivo della melagrana.

 

Nel Museo diocesano sono esposti alcuni arredi provenienti dal Duomo: dal parato in quarto donato nel 1526 dalla famiglia Passerini, vero capolavoro dell'arte tessile rinascimentale, al prezioso reliquiario donato ai cortonesi da Jacopo Vagnucci nel 1458. Tra le tele sono conservate nel museo la bella Maestà di Pietro Lorenzetti, anteriore al 1320, che ancora nel primo decennio del Novecento era conservata in Duomo, e l'Assunzione della Vergine di Luca Signorelli, del 1519-1520.