L'attuale cattedrale venne costruita nel XII secolo in stile romanico, al posto di una chiesa precedente distrutta da un incendio nel 1124, la quale, essendo la principale chiesa fanese, era chiamata Santa Maria la maggiore. La distruzione di questa primitiva chiesa è attestata da una lapide, posta all'interno della chiesa, murata sotto l'organo: in essa è riferito che, distrutto il vecchio edificio da un incendio, sotto il vescovo Rainaldo (1136-1159) fu edificata la nuova cattedrale per mano di mastro Rainerio; si presume che l'edificio sia stato consacrato intorno al 1140.

La nuova struttura era a tre navate terminanti con tre absidi, con cripta sotto il presbiterio. Nel corso del XVI secolo le due absidi laterali furono trasformate in cappelle, mentre l'abside centrale fu ingrandito; nello stesso periodo è stata distrutta la cripta ed abbassata la zona presbiterale. Le cappelle laterali delle navate, costruite in numero di otto nel XIV secolo, furono ridotte a sei nel XX secolo, per l'apertura di due ingressi laterali. Il campanile è opera recente, in quanto il precedente fu abbattuto dai tedeschi durante la seconda guerra mondiale.

L'interno è a tre navate suddivise da pilastri. Di valore storico-artistico è il pulpito, riassemblato nella prima metà del secolo scorso utilizzando i vari elementi che, o erano stati murati per successivi riutilizzi, o erano sparsi in episcopio, sempre utilizzati per altri scopi. Esso è composto da lastre marmoree con rilievi in stile romanico, che compongono una serie di episodi evangelici della Venuta di Cristo; solo le colonne sono moderne.