L'attuale edificio ha origini molto antiche. La presenza di due pavimenti decorati a mosaico, sovrapposti l'uno all'altro, attestano l'esistenza di due chiese paleocristiane: la prima risalente al IV secolo, la seconda alla seconda metà del VI secolo, dopo che la prima venne distrutta durante le guerre gotiche del 535-553. La chiesa divenne cattedrale, cioè sede vescovile, nel VII secolo, quando vi furono trasferite le reliquie del patrono pesarese, san Terenzio di Pesaro, a cui fu inizialmente dedicata la cattedrale. La chiesa fu arricchita di doni dai Malatesta e dagli Sforza. Fu in seguito rifatta completamente in stile barocco, con la conseguente distruzione dell'abside, del campanile, del battistero e dell'atrio porticato, e consacrata a Maria Assunta nel 1663. Infine tra la fine del XIX secolo e gli inizi del XX l'interno dell'edificio fu riformulato in stile neoclassico da Giovanni Battista Carducci e Luigi Galli, assumendo la fisionomia attuale. Durante l'occupazione francese, diverse furono le opere portate in Francia a causa le spoliazioni napoleoniche in questo periodo. Delle 7 opere menzionate nel catalogo del Canova come inviate da Pesaro in Francia nel 1796, solo 3 fecero ritorno, le altre rimasero in Francia, tra cui L'annunciazione del Caravaggio che era stata dedicata per la Cattedrale di Pesaro ma che ora si trova al museo di Nancy.

 

La facciata risale al 1282-1312, è in mattoni di cotto a vista, e conserva le caratteristiche tipiche dello stile romanico.

 

L'interno, a pianta a croce latina con tre navate suddivise da pilastri, è in stile neoclassico. Nella navata di destra si possono ammirare la cappella di san Terenzio, dove sono conservate le reliquie del santo e di altri santi patroni cittadini; ed un affresco trecentesco della Madonna del popolo. Nella navata di sinistra invece è la cappella del Santissimo Sacramento. Le due cappelle risalgono ai rifacimenti del XIX-XX secolo.

 

Sopra la porta d'ingresso è una tela di Marco Benefial (XVIII secolo) raffigurante Maria Assunta tra santi, mentre nel transetto di sinistra è un'altra tela, opera di Giovanni Giacomo Pandolfi (XVII secolo), raffigurante la Crocifissione con Santi.