La Cattedrale di Santa Maria Assunta fu eretta dal vescovo Beato Mainardo intorno al 1063 e consacrato a Maria Vergine Assunta in cielo. Nel Quattrocento l’edificio fu ricostruito per volere di Federico da Montefeltro, probabilmente su progetto di Francesco di Giorgio Martini. Solo alla fine del XVIII secolo il Duomo assunse il suo definitivo aspetto in stile neoclassico su progetto dell’architetto Giuseppe Valadier. La facciata, disegnata dal Morigia, contrasta singolarmente con i colori dei mattoni degli edifici circostanti. Anche il campanile fu edificato in quel periodo. All’esterno della facciata s’innalzano sette statue di santi, tra cui si nota San Crescentino, patrono della città.
L'interno denota lo spirito decisamente classico del Valadier: è ampio, elegante e solenne, diviso in tre navate; in quella centrale si trovano l'altar maggiore nel quale si trovano la grande tela di Cristoforo Unterberger che rappresenta la Madonna Assunta e i bronzi, opera di Camillo Rusconi. Fra i vari dipinti che arredano la chiesa, i più famosi sono: La traslazione della Santa Casa di Loreto, di Claudio Ridolfi, il Martirio di San Sebastiano, di Federico Barocci e l’Annunciazione, di Raffaello Motta. La decorazione della cupola è caratterizzata dalle figure dei quattro evangelisti, eseguite da pittori diversi.
Dalla parte delle antiche sagrestie è stato allestito il Museo Diocesano dedicato alla famiglia Albani, in riconoscenza delle tante benemerenze verso la cattedrale. Qui viene custodito l'arredamento liturgico più vario, tra cui il tesoro del Duomo, ovvero suppellettili sacre donate particolarmente da papa Clemente XI, tra le quali vari corali miniati appartenenti al '400. 
Lungo il fianco sinistro della chiesa vi è un portico del 1621, attribuito a Muzio Oddi, in fondo al quale si accede all'Oratorio della Grotta, situato nella cripta del duomo, nel quale si trova un Cristo Morto e Madonna, scultura di Giovanni Bandini. 
L’imponente Cattedrale in stile Neoclassico, costituisce con il Museo Albani e l’Oratorio della Grotta, luogo di culto e di pietà legato alla tradizione della settimana Santa ora sede espositiva, il fulcro del patrimonio artistico ecclesiastico della città di Urbino. 

Attualmente la cattedrale di Urbino é chiusa per restauro.