La basilica di Santa Maria Assunta nella cattedrale si innalza tra l'imponente mole del palazzo episcopale e la compatta massa del battistero. La pianta è a croce latina. Sulla terza campata si eleva un tiburio ottagonale e sulla crociera del transetto l'alta cupola del Gloria coperta a piombo. Ai lati del presbiterio si innalzano due sacrestie, quella dei Canonici e quella dei Prebendati. Tra quest'ultima sacrestia e il braccio del transetto destro si eleva il campanile. Le porte laterali aprono rispettivamente sul piccolo cortile della canonica e su via dietro duomo, verso l'ingresso carraio del palazzo episcopale.

Sul campanile è incastonata una lapide mutila d'età romana che menziona la Gens Fabia di Veio, titolo che spettò alla popolazione patavina dai tempi della fondazione del municipium nel 49 a.C.

Il Duomo fu completato solo nel 1754 dall'architetto veneziano Girolamo Frigimelica, anche se la grandiosa facciata, con tre portali e due rosoni, da lui disegnata, non fu mai terminata e in seguito gravemente danneggiata, assieme alla grande cupola, nei bombardamenti del 1917 e 1918.

L' interno è a croce latina con tre navate suddivise da pilastri. Sulla sinistra, nella Cappella della Madonna dei ciechi, è conservata una Madonna col bambino di Stefano dall'Arzere. Di Pietro Damini possiamo ammirare al secondo altare San Girolamo e il committente Girolamo Selvatico e nella terza cappella, la pala raffigurante Gesù Crocifisso con le sante Maddalena e Caterina. Presso la porta laterale il cenotafio (monumento sepolcrale onorario che non contiene la spoglia del defunto) di Francesco Petrarca che fu canonico del Duomo, opera ottocentesca di Rinaldo Rinaldi.

La sacrestia dei Canonici conserva preziose opere d'arte tra cui una Madonna col bambino di Giusto de' Menabuoi, due pannelli con Santi di Giorgio Schiavone e due tele di Giandomenico Tiepolo, raffiguranti San Filippo Neri e San Girolamo Emiliani e una pregevole Deposizione di Jacopo Montagnana. Nell'armadio intagliato in noce del 1563 sono conservati preziosi reliquiari del XV secolo tra cui una croce processionale in argento dorato del 1228, un calamaio d'argento, una croce e due candelieri in argento e cristallo di rocca del XVI secolo.

Scesi nella cripta possiamo ammirare l'altare di San Daniele con bassorilievi di Tiziano Aspetti (1565-1607). Nel transetto di destra, in fondo, sull'altare, l'icona raffigurante la Madonna col bambino che un'antica tradizione vuole sia appartenuta al Petrarca il quale credeva che fosse stata dipinta da Giotto.

Il sottosuolo della Cattedrale conserva mosaici, resti di colonne, urne di terracotta, pietra lavorate, ossa di bue e di cavallo, forse resti di antichi sacrifici pagani. Alcuni capitelli bizantini con l'iscrizione alla Dea Fortuna si trovano ora al Museo Eremitani, altri oggetti, quali pietre, croci ecc., sono nel Museo Diocesano.