La chiesa, con l'annesso Palazzo Vescovile e le carceri, ha una lunga storia di costruzione e rifacimenti a partire dagli inizi del XII secolo. Caratteristica della Cattedrale è la mancanza di facciata, incorporata nel nuovo Episcopio edificato nel Seicento, per cui la porta principale è ora posta nella fiancata laterale. Il vasto interno è a tre navate e l'attuale soffitto a cassettoni in legno intagliato risale al 1620 e venne fatto eseguire dal Cardinale Galamini. L'architetto Carlo Orazio Leopardi abolì gli archi acuti che sostituì con quelli ribassati. Nel piccolo atrio che precede il Sancta Sanctorum sono posti i sarcofagi del Cardinale Angelo da Bevagna, vescovo dal 1383 al 1412, del vescovo Nicolò delle Aste da Forlì, che iniziò il Santuario di Loreto, e del Papa Gregorio XII, il quale rinunciò al Papato e fu Vicario della Marca. L'antico Episcopio, risalente alla prima metà del Trecento, fino ad alcuni anni fa ha ospitato il Museo Diocesano (attualmente risistemato nel nuovo episcopio) con un'importante raccolta di dipinti eseguiti dal XVI al XVII secolo di artisti quali Guglielmo da Venezia, Ludovico Urbani, Giacomo da Recanati (1443), Sassoferrato, Guercino, e ancora una Sacra Famiglia attribuita al Mantegna; inoltre arredi e oreficerie di vari secoli, sculture, messali, opere d'arte minore. Nel loggiato del vecchio episcopio si trovano diversi pezzi lapidei, una statua romana e un lavabo di Andrea Sansovino.