La cattedrale fu eretta su una collina della città verso la fine del XII secolo, al posto di una chiesetta dedicata a San Lorenzo e risalente al VII secolo, a sua volta eretta sulle rovine di un tempio pagano dedicato ad Ercole. Già durante l'erezione della cattedrale la città si stava sviluppando verso nord, lungo le pendici della collina stessa, rendendone la frequentazione meno agevole. I vescovi locali cercarono di compensare l'inconveniente garantendo alla cattedrale speciali privilegi religiosi. La città di Viterbo ed il suo circondario furono erette a diocesi da papa Celestino III nel 1192 e San Lorenzo divenne così Cattedra vescovile.

L'interno, a tre navate separate da due ordini di colonne collegate da archi a tutto sesto e dotato di un pavimento cosmatesco, fu rimaneggiato nel secolo XVI, quando furono aperte nelle pareti laterali dieci cappelle: questo comportò la perdita degli affreschi murali dipinti sui muri, demoliti per far posto alle cappelle stesse. Nel XVII secolo venne edificata una volta a botte decorata nel 1681 da Urbano Romanelli che impedì la vista della capriata decorata attualmente visibile. Alla stessa fase edilizia è riconducibile l'allungamento della navata centrale e la costruzione dell'abside barocco (attualmente nascosto dalla ricostruzione di un moderno abside in luogo di quello romanico) visitabile, insieme alla bellissima sagrestia ed al Palazzo dei Papi, rivolgendosi presso il Museo del Colle del Duomo di Viterbo. Gran parte di queste modifiche è stata poi rimossa dopo la seconda guerra mondiale: l'esplosione di una bomba caduta nella cattedrale durante un bombardamento del 1944, infatti, produsse ingenti danni ed il successivo restauro fornì l'occasione per riportare gran parte dell'interno della chiesa al presumibile impianto romanico. Otto delle dieci cappelle vennero così murate insieme con la parte absidale.