Il sito su cui sorge il duomo, una protuberanza di roccia, era adibito al culto delle divinità sin dall'epoca preistorica. L'edificazione del primo duomo altomedievale si ebbe nel VII secolo, quando l'antica Montefeltro (San Leo) venne eretta a civitas, diventando sede di una diocesi.

I resti della prima chiesa sono inglobati nell'attuale struttura romanica-longobarda. Ne rimangono inoltre numerosi frammenti scultorei, quali i resti del ciborio di san Leone, capitelli con motivi fitomorfici e i leoni alati del protiro, che sostengono una colonna della navata.

Su un pilastro della navata centrale, tra due testine ovoidali, è incisa la data 1173, probabilmente riferita ad un intervento di ristrutturazione di maestranze guidate da capomastri emiliano-lombardi.