La Basilica Cattedrale è situata nel lato destro di piazza Duca Federico, di fianco a Palazzo Ducale. Nel 1021 il titolo di Cattedrale viene trasferito dalla chiesa suburbana di S. Sergio a quella dedicata alla Vergine Assunta, S. Maria del Castello, riconsacrata, dopo un probabile ampliamento, dal vescovo Mainardo nel 1066. Negli anni 1474-1488, la Cattedrale di forme romanico-gotiche viene ricostruita dalle fondamenta, su disegno del senese Francesco di Giorgio Martini (1439-1501), secondo semplici ed eleganti moduli rinascimentali, ma completata solo tra il 1604 e il 1607, con la cupola ottagonale disegnata dall’urbinate Muzio Oddi (1539-1639) attendendosi al progetto martiniano.
L’edificio, danneggiato notevolmente dal terremoto del 1789, è ristrutturato da Giuseppe Valadier (1762-1839), che lo rinnova in stile neoclassico. La facciata assume l’attuale volto palladiano su disegno di Camillo Morigia (1743-1795).
Ricalcando l’assetto quattrocentesco, la Cattedrale mostra una pianta a tre navate; la sobria decorazione neoclassica di paraste e capitelli è scandita dagli altari delle navate laterali che conservano tele di grande pregio storico-artistico. Da sinistra: L’imperatore Eraclio porta la Croce di Palma il Giovane (1548-1628); Annunciazione di Raffaello Motta da Reggio (notizie dal 1550 al 178). A destra: Traslazione della Santa Casa di Loreto di Claudio Ridolfi (1570 ca.-1644); Martirio di S. Sebastiano di Federico Barocci (1535-1612).
Sull’altare maggiore troneggia l’Assunta con S. Crescentino e il Beato Mainardo di Cristoforo Unrterberger (1723-1798). Nell’abside, le cappelle laterali risparmiate dal sisma, sono veri e propri scrigni d’arte. La Cappella di sinistra, dedica- ta al SS. Sacramento, è stata rinnovata a partire dal 1568 grazie al sostegno economico del Duca di Urbino Francesco II Maria della Rovere. Proprio per questo sacello Federico Barocci realizza uno dei suoi indiscussi capolavori, l’Ultima cena (1590-99).
La Cappella della Concezione è stata ristrutturata alla metà del XVII secolo mentre le tele poste alle pareti furono commissionate da Papa Clemente XI (1700-1721), Natività della Vergine (1709) di Carlo Cignani (1628–1719), Assunzione della Vergine (1707) di Carlo Maratta (1625–1713).
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