Alcune lapidi murate in chiesa attestano le antiche origini della cattedrale di Veroli: una lapide, ora al Museo del Duomo, ricorda la sepoltura nel 384 del martire Marturio, mentre altre due lapidi ne attestano l'evoluzione nei secoli IX e X. Di origini paleocristiane, edificata su resti di un tempio pagano del Foro, l'edificio fu ricostruito in stile romanico nel XIII secolo e poi, a causa del terremoto del 1350, ricostruito in stile gotico nel XIV secolo: di questo intervento quattrocentesco è rimasto solo il rosone gotico in facciata. In facciata è murata anche una lapide che ricorda gli interventi fatti eseguire dal vescovo Domenico Zauli con i quali, a partire dal 1706 fu rifatto completamente l'antico edificio in stile barocco.

La facciata è scandita da un doppio ordine di paraste e divisa in due orizzontalmente da un prospiciente cornicione separato in due dal rosone gotico. La torre campanaria medievale che affianca l'edificio è costruita su resti di una torre d'epoca romana.

Dall'unico portale d'ingresso si accede all'interno della chiesa, suddivisa in tre navate separate da pilastri, con diverse cappelle laterali, transetto ed abside. Tra le principali opere d'arte conservate nella cattedrale, si devono menzionare le seguenti tele del XVII e XVIII secolo: il Martirio di san Bartolomeo del pittore polacco Taddeo Kuntze; i Santi Salome, Biagio e Demetrio del pittore Federico Buccatti (1604); nell'abside il Martirio dell'apostolo Andrea di Giuseppe Passeri. Nell'abside è un importante coro ligneo del 1624 che sostituì l'antico coro in pietra d'epoca romanica.