La chiesa nelle sue forme attuali è il risultato di interventi che si sono succeduti in due fasi, ben individuabili ma armonizzate fra loro; la prima, protoromanica (fine XI secolo), è in pietra arenaria lavorata a conci piccoli e regolari, e si può apprezzare nella facciata e in parte nel fianco est. La copertura di tale primitiva cattedrale doveva presentarsi a capriate lignee. Quindi durante l'alto Medioevo la struttura della chiesa fu ad unica navata, e fu intorno al 1100 che la cattedrale venne completamente ricostruita a tre navate.
Alla seconda fase, tardoromanica (XIII secolo), si deve la ricostruzione dell’abside e del presbiterio, con tiburio ottagonale fu completata la copertura con la connessa volta a botte della navata centrale, sorretta da slanciate semicolonne.
Del XIII secolo sono il portale, ad arco acuto, le tre absidi (una maggiore e due minori) e il presbiterio, con il tiburio di forma ottagonale, mentre il tetto venne sostituito con volte a botte sostenute da semi colonne e pilastri in stile romanico.
Nel secolo XII fu costruito il campanile, vera e propria torre di difesa, che sottolinea le lotte con Genova, in conci di puddinga. Esso è tuttora collegato con la cattedrale mediante un arco romanico conservato integralmente. Già alla fine del 1700 il campanile fu trasformato da rinascimentale a barocco con la classica cuspide a cipolla per mano di maestranze locali. Nel 1889 venne rimaneggiato negli stucchi razionalizzando le forme barocche in elementi modulari di scarso interesse storico/artistico per mano del muratore Dionisio. La cupola, unica nel suo genere e interamente originale, ha un tamburo ottagonale irregolare e culmina con una lanterna quadrata.
All'interno è custodita una pregevole Madonna col Bambino di Barnaba da Modena, dipinto su tavola risalente alla seconda metà del XIV secolo.
Fu in seguito alle disposizioni emanate con il Concilio di Trento, che nel XVII secolo vennero aperte nuove cappelle lungo la navata sinistra. Fra le opere pittoriche conservate, spicca la tela di Giovanni Carlone, con San Secondo invoca la protezione della Sacra Famiglia sulla città di Ventimiglia, parziale copia da una tela genovese del caravaggesco Bartolomeo Cavarozzi.
Di fianco all'abside minore di sinistra, a una quota inferiore, sorge il battistero, intitolato a san Giovanni Battista, coevo alla Cattedrale. A pianta ottagonale, è stato diviso in due livelli nel Seicento: il vano inferiore presenta una volta a ombrello e, lungo il perimetro, otto nicchie, alternativamente a base retta e semicircolare; all'interno sono collocati un bacino ad immersione del XIII secolo al centro e un'altra vasca più antica, a forma di mortaio, in una nicchia; al piano superiore, cui si accede dal piano di calpestio dell'attigua cattedrale, è stata ricavata una cappella barocca dedicata al Santissimo Sacramento.
