Realizzato del maestro comacino Adamo d'Arogno, su commissione del principe vescovo Federico Vanga, iniziò la realizzazione nel 1212, adeguando la precedente Basilica di San Vigilio (risalente al VI secolo d.C.).
La parte esterna è in stile romanico, con mura massicce e lesene che delineano il profilo della facciata.

Di stile medievale sono le decorazioni architettoniche del rosone con la voluta dei leoni stilofori del protiro settentrionale e delle pilastri "annodati" nella parte absidale. L'interno del Duomo ha invece elementi distintivi dello stile gotico, con agili colonne e volte a crociera, a riprova che la costruzione è un monumento di passaggio dallo stile romanico al gotico. All'interno si possono notare l'Altare Maggiore, in stile barocco, e la Cappella del Crocifisso. Una scala permette di andare giù nel sottosuolo per visitare la Basilica del VI secolo, dedicata a San Vigilio, su cui fu edificato il Duomo. Oltre al raro sistema delle lunghe scale rampanti che rimontano verso il campanile in direzione opposta all'altare, pregevoli opere decorano lo spazio del transetto. Sulla sinistra, accanto agli affreschi trecenteschi che narrano la leggenda di San Giuliano, è custodita la cosiddetta Madonna degli annegati, statua in pietra un tempo esposta in una nicchia lungo il muro esterno dell'edificio.

Lungo la navata destra fu costruita nel 1682 la Cappella del Crocefisso, che custodisce la scultura lignea del Crocefisso con Maria e Giovanni dolenti, ai piedi del quale furono promulgati i decreti del Concilio di Trento (1545-1563). La serie di sedute solenni della grande assemblea generale cattolica, infatti, si svolsero nel presbiterio della cattedrale di Trento, su un’opportuna struttura mobile in legno eretta sopra la cripta sotterranea.

La Torre Civica, edificata forse nel secolo XI, faceva parte del mastio dell'originale residenza dei vescovi che, prima di spostarsi, nella seconda metà del Duecento, sul colle del Buonconsiglio, occupavano il Palazzo Pretorio e il Castelletto, l'edificio sopraelevato vicino al Duomo.