Il Duomo di Caorle sorge dalle rovine di una preesistente basilica paleocristiana, come testimoniano i numerosi reperti rinvenuti e conservati sia all'interno che nel giardino della casa canonica (ex palazzo vescovile); tra essi si annoverano modanature floreali, capitelli e tronchi di colonna, altari e lapidi, che richiamano gli stili bizantino-ravennati già presenti nella Cattedrale di Torcello e nella Basilica di San Marco.

La struttura architettonica del duomo è basata sulla pianta basilicale a tre navate. La chiesa è orientata da ovest a est, come era tradizione nella costruzione degli edifici sacri.

L'interno del duomo unisce una varietà di stili architettonici; romanico e bizantino-ravennate. La navata centrale è separata dalle due centrali da due file, ciascuna costituita di 5 colonne alternate a 6 pilastri; le colonne presentano capitelli corinzi o capitelli di forma cubica a spigoli smussati, tutti sormontati da pulvini finemente niellati. I pilastri, invece, sono sormontati da cimase a forma di croce, anch'esse niellate. Le file di colonne e pilastri sostengono ciascuna dieci archi a tutto sesto. Il soffitto della navata centrale è a capriate lignee, sorrette da mensole in pietra, mentre quelli delle navate laterali sono a semi capriate.

Le navate laterali terminano con un presbiterio ed una absidicola interna; la navata centrale termina anch'essa con un presbiterio, separato da quelli laterali con delle balaustre in pietra (un tempo dividevano il presbiterio centrale dalla navata centrale) e da una grande abside centrale, interna ed esterna, sulla quale si aprono tre finestroni ad arco, e introdotta da un arco trionfale sorretto da colonne corinzie; il catino è separato dal tamburo con un fregio marmoreo di stile orientaleggiante. In origine il presbiterio era separato dalla navata per mezzo di un'iconostasi, di cui si conservano al Museo del Duomo alcuni frammenti marmorei e sei tavole, dipinte agli inizi del Trecento da artista prossimo a Paolo Veneziano.