Le forme attuali dell'edificio furono progettate da Cosimo Morelli nel 1775, ma la prima struttura risaliva al 1181. Il duomo venne consacrato nel 1271, anno nel quale vi vennero depositate le reliquie di san Cassiano, patrono della città. Conobbe un primo ampliamento nel sec. XVI, quando fu edificato anche il campanile. Gravi problemi di statica portarono il cardinale Bandi, a deciderne l’abbattimento e quindi la ricostruzione ex novo tra 1769 e 1781.

L'interno è a croce latina, suddiviso in tre navate caratterizzate da grandi pilastri. Nella cripta si trovano le urne in marmo dei protettori della città: Cassiano, Pier Grisologo, Proietto e Maurelio. La nuova chiesa venne consacrata da Pio VI nel 1782. Successivamente venne ricostruita anche la facciata, voluta nel 1850 da Pio IX, già vescovo di Imola tra il 1831 e il 1846.

Tanto nella chiesa che nella sagrestia si conservano buoni dipinti di scuola bolognese e toscana dei secoli XVI e XVII; alcuni ritratti di vescovi ed un busto di Pio IX, eseguito al momento della sua assunzione al pontificato dal valentissimo scultore imolese, allievo di Canova, Cincinnato Baruzzi. Nella sagrestia si conservano poi libri corali ed antifonari con artistiche miniature, ricchissimi paramenti ed arredi sacri; una patena d’oro di finissimo antico lavoro di cesello; nonché ostensori, calici, reliquiarii, croci di gran pregio come lavori artistici e come ricordi storici.