L'attuale edificio ha origini molto antiche. La presenza di due pavimenti decorati a mosaico, sovrapposti l'uno all'altro, attestano l'esistenza di due chiese paleocristiane: la prima risalente al IV secolo, la seconda alla seconda metà del VI secolo, dopo che la prima venne distrutta durante le guerre gotiche del 535-553. La chiesa divenne cattedrale, cioè sede vescovile, nel VII secolo, quando vi furono trasferite le reliquie del patrono pesarese, san Terenzio di Pesaro, a cui fu inizialmente dedicata la cattedrale. La chiesa fu arricchita di doni dai Malatesta e dagli Sforza. Fu in seguito rifatta completamente in stile barocco, con la conseguente distruzione dell'abside, del campanile, del battistero e dell'atrio porticato, e consacrata a Maria Assunta nel 1663. Infine tra la fine del XIX secolo e gli inizi del XX l'interno dell'edificio fu riformulato in stile neoclassico da Giovanni Battista Carducci e Luigi Galli, assumendo la fisionomia attuale.

L'interno, a pianta a croce latina con tre navate suddivise da pilastri, è in stile neoclassico. Nella navata di destra si possono ammirare la cappella di san Terenzio, dove sono conservate le reliquie del santo e di altri santi patroni cittadini; ed un affresco trecentesco della Madonna del popolo. Nella navata di sinistra invece è la cappella del Santissimo Sacramento con resti marmorei dell'antico battistero. Le due cappelle risalgono ai rifacimenti del XIX-XX secolo.

Di notevole spessore storico-artistico sono i mosaici scoperti nella seconda metà dell'Ottocento sotto il pavimento della chiesa. Furono individuate due serie di mosaici sovrapposte fra loro, risalenti alle due primitive basiliche. Oggi è visibile solo il pavimento musivo del secondo livello, risalente a vari interventi eseguiti tra il VI ed il XIII secolo.