Di antichissima fondazione, nel 1510 fu devastata da un incendio appiccato dalle truppe di Massimiliano d'Austria e, tra il 1514 e il 1585, ricostruita in forme rinascimentali. Nel XVII secolo fu restaurata a spese del vescovo Bartolomeo Gera, del Capitolo, della Comunità, del Monte di Pietà e del nobile Francesco Angeli.

Gli altari posti lungo le navate laterali custodiscono opere di Pietro Marescalchi, Francesco Terilli, Domenico Tintoretto, Domenico Falce, Francesco Frigimelica, Agostino Ridolfi, Paolo Dal Pozzo, Francesco Agosti e Ruggero Rossi. Il presbiterio è impreziosito dalla cattedra vescovile del vescovo Adalgerio Villalta (cimelio monolitico del XIII secolo), da un monumento funebre di Tullio Lombardo, da un altare barocco che custodisce una pala settecentesca di Antonio Lazzarini e da un crocifisso intagliato probabilmente da Vittore Scienza e dipinto da Lorenzo Luzzo.

La cappella del Santissimo, adibita a sepolcreto dei vescovi di Feltre dal vescovo Bartolomeo Gera, conserva opere di Giovanni Volpato. La cripta, a tre navate, risale alla seconda metà dell'XI secolo e conserva affreschi di Marco Damello.