La cattedrale venne edificata tra il 1586 ed il 1680 su progetto dell'orvietano Ippolito Scalza; l'edificio sorse in luogo dell'antica pieve di Santa Maria, i cui diritti plebani, acquisiti intorno all'anno 1000, derivavano da un'antica chiesa posta fuori delle mura castellane, dove è oggi la chiesa di San Biagio.

I vasti spazi del tempio sono ornati da un ingente numero di opere d'arte. Alcune provengono dall'antica pieve e da altre chiese poliziane. Tra queste una delle più importanti è il monumentale Trittico dell'Assunta, dipinto da Taddeo di Bartolo nel 1401, che troneggia sull'altare maggiore. Un altro monumento di primaria importanza è il quattrocentesco Monumento funebre di Bartolomeo Aragazzi, in marmo di Carrara, realizzato da Michelozzo tra il 1427 e il 1436. Oggi il monumento è diviso in nove frammenti di cui sette sono murati in luoghi diversi nella chiesa.

Da ricordare anche il piccolo dipinto quattrocentesco su tavola denominato Madonna del Pilastro, realizzato da Sano di Pietro; le statue lignee policromate dell'Angelo annunziante e della Vergine annunziata, opera di Francesco di Valdambrino; la cinquecentesca tavola con il Redentore di Bartolomeo Neroni detto il Riccio; la tela effigiante San Sebastiano, opera del Seicento fiorentino; nella cappella del Santissimo Sacramento, la tela dipinta nel 1830 da Luigi Ademollo. Al centro della prima cappella laterale di sinistra, che costituisce il battistero, si trova il trecentesco fonte battesimale, attribuito a Giovanni di Agostino o a Tino di Camaino. Sulla parete retrostante, il cosiddetto altare dei Gigli, terracotta invetriata policroma opera di Andrea Della Robbia; il manufatto risale al 1512 circa ed è posto tra due statue di autore ignoto raffiguranti San Pietro e San Giovanni Battista.

Nei locali della sacrestia e nella sala capitolare si conserva un importante nucleo di arredi sacri e di dipinti, riferibili a varie epoche.