L'attuale costruzione risale alla seconda metà del sec. XIII, ma sul luogo doveva esistere una chiesa più antica di stile romanico i cui avanzi sono visibili a destra della facciata.

La facciata reca intorno al rosone i rilievi coi simboli degli Evangelisti e con L’Agnus Dei, appartenenti probabilmente alla vecchia chiesa. Sopra il rosone il simbolo di Gesù: l’Agnello di Dio che immolandosi toglie i peccati del mondo. Sotto il rosone: a sinistra lo stemma dell’attuale pontefice e destra quello dell’attuale vescovo di Gubbio.

L'interno è gotico, con ampie e alte arcate che richiamano la forma di mani giunte in preghiera; a unica navata, senza transetto e con archi trasversali che reggono gli spioventi, è frutto di un ripristino operato all'inizio del sec. XX.

La chiesa è ricca di dipinti dovuti ad artisti eugubini del '500 (i Nucci (Bacio di Giuda), il Basili) ma anche ad artisti forestieri (Sinibaldo Ibi (Madonna col Bambino tra angeli e santi,), Giuliano Presutti, Dono Doni (cinquecentesca Pietà)). Molto significativa è la cappella barocca che si apre nel mezzo della parete destra contiene affreschi dell'Allegrini e una tela la Nascita dei Gesù del Gherardi.

L'altare maggiore contiene sotto il sarcofago tardo-antico con le reliquie dei SS. Giacomo e Mariano, martirizzati nel 259. A sinistra del presbiterioè il Seggio dei Magistrati, con finte tarsie di Benedetto Nucci.

Nel coro si trova la sedia episcopale, intagliata verso la metà del sec. XVI. dal Maffei.

Sulle pareti del tempio rimangono tracce di affreschi dei secc. XIV e XV Le pitture murali dell'abside, dell'arco trionfale e delle cappelle di sinistra., sono opera del pittore eugubino Augusto Stoppoloni (1916-18).

Annesso alla Cattedrale, il Museo Diocesano dove sono conservati il prezioso piviale fiammingo donato dal Papa Marcello II (Cervini) che fu Vescovo di Gubbio, le statue, in pietra scolpita, raffiguranti i martiri S. Mariano e S. Giacomo, affreschi del '300 e di altre epoche, nonché artistici arredi sacri.