Il Duomo non è sempre stato ubicato nella sua attuale posizione. Infatti, prima della signoria Malatestiana esso era collocato all'interno della cittadella rialzata (detta Murata), nell'area oggi occupata dallo sferisterio. Nel 1385 iniziò, per volere di Andrea Malatesta, la ricostruzione in stile romano gotico del duomo, che subì col passare dei secoli diverse trasformazioni, ritornando quindi alle sue forme originarie con l'ultimo restauro della seconda metà del XX secolo.

L'esterno dell'edificio colpisce per la sobrietà tipicamente romanica, in laterizio, con otto lesene a interrompere la piatta uniformità della facciata. La parte superiore, progettata da Mauro Codussi e di ascendenza veneta, presenta un frontone triangolare, due timpani semicircolari e due pilastrini; al centro si trova una coppia di lesene ornate con un occhio ornato di fregio a serafini. La rimanente decorazione della facciata si limita ad un'iscrizione (a destra del portale) con indulgenza plenaria concessa alla città da papa Pio VI, del 9 luglio 1793, e una nicchia con Madonna col Bambino di Vincenzo Gottardi del 1510.

Vi si conservano importanti opere scultoree: l’Altare del “Corpus Domini” di Giovan Battista Bregno (1505); il trittico con i santi Cristoforo, Leonardo ed Eustachio di Lorenzo Bregno (1517); il bassorilievo che rappresenta san Severo venerato da Carlo e Camillo Verardi di Vincenzo Gottardi (1490), autore anche della Madonna con Bambino collocata nell’edicola della facciata esterna.

Nella navata di sinistra si trova la cappella della Madonna del Popolo (1679) attribuita a Bartolomeo Ramenghi detto il Bagnacavallo (1484-1542). Nella cappella, costruita in base al progetto dell’architetto Pietro Carlo Borboni, la cupola fu affrescata da Corrado Giaquinto nel 1750-’51. Il prezioso rivestimento di marmo fu ultimato nel 1759 su disegno del ravennate Pietro Martinetti.