Il progetto dell'attuale Cattedrale è attribuito a Tullio Lombardo, architetto veneziano, che venne a Belluno (1517) quando i lavori di costruzione erano già stati iniziati da qualche tempo sotto la direzione di un capomastro del luogo, un certo Nicolò Tagliapietre, autore anche dell'Orologio del Palazzo dei Rettori, del pozzetto davanti al ex-tribunale e della Porta Dojona.

L'interno della basilica, di aspetto maestoso, ha linee rinascimentali anche se l'altezza dei pilastri dà la spinta verso l'alto, tipica delle chiese gotiche. Lo spazio è ripartito in tre navate, tagliate trasversalmente da sette campate. Il presbiterio è di impostazione solenne con triple file di stalli; ariosa e piena di luce è la cupola. Oltre l'ultimo arco maggiore si apre l'abside semicircolare, il cui catino è stato affrescato da Antonio Ermolao Paoletti con una trionfale Assunta. Fra le opere di insigni artisti custodite nella chiesa spiccano per complessità compositiva due dipinti di Gaspare Diziani raffiguranti, l'uno i Santi Carlo, Francesco di Sales, Gaetano da Thiene e Andrea Avellino, e l'altro la Conversione di San Paolo. Alla mano di Egidio Dall'Oglio si deve la rappresentazione della Sacra Famiglia che orna uno degli altari della navata di sinistra. L'organo, del 1945, è stato posto in opera dalla ditta Mascioni.