Espressione dell'architettura rinascimentale in Romagna, è d'influenza Toscana. La sua costruzione, su progetto di Giuliano da Maiano, fu iniziata nel 1474, e non si concluse prima del 1515, rimanendo tuttavia incompiuta la facciata; la consacrazione al culto di San Pietro apostolo avvenne nel 1581.

L'esterno della cattedrale è caratterizzato dalla facciata, preceduta da un'ampia scalinata. A salienti, il suo paramento murario, incompiuto, rimane con la tessitura con mattoni sporgenti della muratura a vista. Nella parte inferiore della facciata, in corrispondenza delle tre navate interne, si aprono i tre portali con archi a tutto sesto, mentre in corrispondenza delle cappelle laterali due monofore; nella parte superiore, invece, vi sono due oculi in corrispondenza delle navate laterali e due alte monofore ed un rosone in corrispondenza della navata centrale. La facciata termina con un semplice frontone triangolare sormontato da una croce in ferro battuto.

L'interno della cattedrale presenta una pianta a croce latina con tre navate separate da archi a tutto sesto poggianti su pilastri ionici alternati a colonne composite; le navate sono affiancate da otto cappelle per lato. La profonda abside termina con un catino dalla forma di una conchiglia ed è illuminata da cinque alte monofore. Alle spalle dell'altare maggiore, in marmi policromi, vi è il coro ligneo, del 1513.

La cattedrale custodisce opere d'arte del periodo rinascimentale, soprattutto sculture, tra cui: la cappella della Beata Vergine delle Grazie, eretta a santuario diocesano, che custodisce un affresco staccato del 1412; l'affresco raffigura Maria nell'atto di spezzare delle frecce, simbolo dei pericoli da cui lei offre protezione; la cappella del Crocifisso ospita un Crocifisso ligneo del 1474-1480, attribuito a Giovanni Teutonico; l'arca di San Terenzio di Imola, del 1462, opera di un maestro toscano; l'arca di San Savino, compiuta nel 1468, forse scolpita a Firenze da Benedetto da Maiano; l'arca di Sant'Emiliano, della seconda metà del Quattrocento (alcuni rilievi marmorei sono oggi al Museo Jacquemart-André di Parigi); il dipinto di Innocenzo da Imola Beata Vergine con Gesù Bambino e i santi Giovanni Battista, Pietro e Paolo, Gioacchino ed Anna (olio su tavola, 1526).