La prima chiesa sorta in questo luogo risale all'VIII secolo voluta dal patriarca Callisto. Nel 1348 fu gravemente danneggiato da un violento terremoto, ulteriori danni li subì con il terremoto dell'8 agosto 1364. A metà del XV secolo venne affidata a Bartolomeo delle Cisterne, la ricostruzione dell'edificio sacro in stile gotico veneziano. I lavori si protrassero per molto tempo, morto l'architetto nel 1480, la costruzione rimase incompiuta e nel 1502 una colonna cedette provocando il crollo di buona parte della fabbrica. Dopo breve tempo la ricostruzione venne affidata a Pietro Lombardo che realizzò l'attuale duomo in stile misto gotico-veneziano e rinascimentale. Alla fine del XVIII secolo gli architetti Giorgio Massari e Bernardino Maccaruzzi ne realizzarono un'ampia ristrutturazione interna.

Il Duomo ospita opere di notevole valore artistico e storico: Crocifisso ligneo, posto nella navata sinistra realizzato nel XIII secolo. L'altare del Santissimo Sacramento, eseguita nel 1580 da Ercole e Orazio Liberale. La Pala di Pellegrino II, uno dei più importanti capolavori medioevali dell'oreficeria italiana. Oggi collocata sull'altare maggiore, consta di centoventitre lastre d'argento dorato sbalzato. La parte centrale è occupata da una Madonna con Bambino, tra gli arcangeli Michele e Gabriele. Ai lati due scomparti di tre fasce sovrapposte, con venticinque figure di santi. Ne fa da cornice una sequenza di ventitré personaggi biblici e la figura intera del committente il patriarca Pellegrino II. Lo stile dell'opera richiama moduli bizantini ammorbiditi da un romanico plasticismo. Madonna in trono con santi opera di Matteo Ponzone del 1617, Ultima cena di Jacopo Palma il Giovane del 1606; Annunciazione di Pomponio Amalteo del 1546; In questa chiesa ogni anno, il 6 gennaio, si svolge la caratteristica Messa dello Spadone, un rituale unico nel suo genere che risale al 1366.