La chiesa rinascimentale sorge su un edificio precedente, per iniziativa del vescovo Federico Manfredi, parte del rinnovamento architettonico e urbanistico di Faenza voluto dal signore Carlo II Manfredi. Giuliano da Maiano, architetto fiorentino, è stato inviato a Faenza dalla famiglia Medici nel quadro dei rapporti diplomatici e culturali tra le due signorie.
L'impianto longitudinale a tre navate si conclude con un'abside poligonale con catino a conchiglia, risalente alla seconda fase di lavori, la quale ospita l'altare maggiore e il coro ligneo del 1513. La cupola emisferica che si erge sul breve transetto è in ombra, fatta eccezione per la luce prodotta da piccoli oculi, analogamente a quella fiorentina di San Lorenzo.
Anche in facciata le lunghe finestre centinate al centro e la scansione della superficie richiamano modelli toscani. Lo zoccolo marmoreo è l'unico elemento realizzato del rivestimento.
All'interno sedici cappelle laterali ospitano opere rinascimentali di grande interesse. Da non perdere l'Arca di San Savino, attribuita ad Antonio Rossellino o a Benedetto da Maiano, il Cristo in pietà e angeli con simboli della Passione di Biagio d'Antonio, pittore fiorentino attivo a Faenza, e la Beata Vergine con Gesù Bambino e i santi Giovanni Battista, Pietro e Paolo, Gioacchino ed Anna di Innocenzo da Imola, nela sua cornice dorata originale.
Nella cappella della Madonna delle Grazie, patrona di Faenza, si conserva l'immagine miracolosa della Vergine, affresco staccato dalla chiesa di Sant'Andrea in Vineis, oggi San Domenico, e portata in cattedrale nel 1760.
Di età ottocentesca la cappella dedicata a San Pier Damiani, dove si conservano le reliquie del teologo ravennate morto a Faenza nel 1072. La cattedrale di Faenza è stata consacrata nel 1581 dal vescovo Annibale Grassi.
