Di origine paleocristiana, ma ricostruita in età medievale (fu riedificata probabilmente da Matilde di Canossa), la chiesa, inizialmente in stile romanico (di quest'epoca è ancora il campanile), venne ampliata agli inizi del XV secolo sotto l'egida di Francesco I Gonzaga. La splendida facciata mistilinea in marmo, dotata di un protiro, rosoni e pinnacoli, progettata da Jacobello e Pierpaolo dalle Masegne è testimoniata da un prezioso dipinto di Domenico Morone. In questi anni il duomo fu affiancato da due file di cappelle gotiche, ornate da guglie e cuspidi in marmo e in cotto, anch'esse progettate da Jacobello dalle Masegne, la cui struttura muraria è ancora visibile nel fianco destro.

Nel 1545 il Duomo fu ristrutturato da Giulio Romano, che lasciò intatte la facciata e le pareti perimetrali ma ne modificò sostanzialmente l'interno, trasformandolo in forma simile all'antica Basilica di San Pietro a Roma in versione paleocristiana, prima dell'intervento su quest'ultima di Bramante e di Michelangelo. Tale scelta può essere messa in rapporto con le simpatie evangeliste del cardinale Ercole Gonzaga, committente dell'opera, in polemica con la politica papale di quegli anni. La morte di Giulio Romano nel 1546 segnò una lunga interruzione dei lavori, che continuarono sotto la guida di Giovan Battista Bertani alterando probabilmente il primo progetto, specialmente nella realizzazione del presbiterio. Su iniziativa del vescovo Antonio Guidi di Bagno l'attuale facciata completamente di marmo, fu realizzata tra il 1756 e il 1761 dal romano Nicolò Baschiera, ingegnere dell'esercito austriaco.

L'interno della cattedrale è a croce latina, con aula divisa in cinque navate da quattro file di colonne corinzie scanalate; mentre le due navate laterali esterne e la navata centrale sono coperte con soffitto piano, le due navate laterali interne sono coperte con volta a botte. Lungo ciascuna delle due navate laterali esterne si apre una fila di cappelle laterali, i cui altari sono ornati da pale dei più importanti artisti del manierismo mantovano (le tele di Paolo Veronese e Giulio Campi, le più importanti del ciclo, non sono oggi più a Mantova). Sulla crociera, si eleva la cupola, con tamburo ottagonale e priva di lanterna, dipinta internamente con il Paradiso. Tra le opere d'arte si segnalano un sarcofago paleocristiano, gli affreschi del battistero (inizi del XIV secolo), la Cappella dell'Incoronata, di architettura simile alle idee di Leon Battista Alberti, e la sacrestia (un tempo Cappella dei Voti), con la volta affrescata da un seguace di Andrea Mantegna. L'altare maggiore è in marmi policromi ed è sormontato da un Crocifisso ligneo scolpito.