La prima chiesa costruita in questo luogo risale all'VIII secolo, voluta dal patriarca Callisto. Nel 1348, un forte terremoto causò gravi danni, anche se le informazioni su questo evento sono poche. Un altro terremoto, l'8 agosto 1364, provocò ulteriori danni. A metà del XV secolo, l'edificio fu affidato a Bartolomeo delle Cisterne per essere ricostruito in stile gotico veneziano. I lavori durarono molto; dopo la morte dell'architetto nel 1480, la costruzione rimase incompleta e nel 1502 una colonna crollò, causando il crollo di gran parte della chiesa. Poco dopo, Pietro Lombardo fu incaricato di ricostruirla, realizzando l'attuale duomo in uno stile che combina elementi gotici, veneziani e rinascimentali. Alla fine del XVIII secolo, gli architetti Giorgio Massari e Bernardino Maccaruzzi effettuarono una grande ristrutturazione interna.

Nel giugno del 1909, papa Pio X elevò il duomo al rango di basilica minore.

L’interno è diviso in tre navate: quella centrale con volta a botte e le due laterali con crociera. Sopra il portale principale, sulla parete interna della facciata, si trova il Monumento equestre di Marcantonio di Manzano, un condottiero cividalese morto eroicamente nel 1617 durante l’assedio di Gradisca. La scultura, in legno laccato, fu commissionata nel 1621 e realizzata da Girolamo Paleario. Sopra le porte ci sono quattro lapidi che ricordano momenti importanti della storia del duomo e i benefattori che lo hanno sostenuto.

Il duomo ospita opere di grande valore artistico e storico, tra cui:

• Un Crocifisso ligneo del XIII secolo, nella navata sinistra.

• L’altare del Santissimo Sacramento, realizzato nel 1580 da Ercole e Orazio Liberale.

•La Pala di Pellegrino II, uno dei capolavori medievali dell’oreficeria italiana, composta da 123 lastre d’argento dorato sbalzato, raffigurante una Madonna con Bambino tra gli arcangeli Michele e Gabriele, e santi, con il patriarca Pellegrino II rappresentato in modo prominente. Lo stile richiama moduli bizantini con influenze romaniche.

•Una Vesperbild di scuola tedesca del XV secolo.

•Una Madonna in trono con santi di Matteo Ponzone (1617).

•La scena della Lapidazione di Santo Stefano e l’Ultima Cena, entrambe di Jacopo Palma il Giovane (1606).

•L’Annunciazione di Pomponio Amalteo (1546).

•Affreschi nella sagrestia di Giuseppe Diziani e Giuseppe Mattioni.

•La Via Crucis in terracotta di Max Piccini (1964).

Ogni anno, il 6 gennaio, si tiene la tradizionale Messa dello Spadone, un rito unico che risale al 1366.

Nell’abside di destra si trova l’altare dedicato a San Donato. Sulla parete sinistra, invece, è collocata una grande Annunciazione di Pomponio Amalteo.