La Basilica Cattedrale è situata nel lato destro di piazza Duca Federico, di fianco a Palazzo Ducale. Nel 1021 il titolo di Cattedrale viene trasferito dalla chiesa suburbana di S. Sergio a quella dedicata alla Vergine Assunta, S. Maria del Castello, riconsacrata, dopo un probabile ampliamento, dal vescovo Mainardo nel 1066. Negli anni 1474-1488, la Cattedrale di forme romanico-gotiche viene ricostruita dalle fondamenta, su disegno del senese Francesco di Giorgio Martini (1439-1501), secondo semplici ed eleganti moduli rinascimentali, ma completata solo tra il 1604 e il 1607, con la cupola ottagonale disegnata dall’urbinate Muzio Oddi (1539-1639) attendendosi al progetto martiniano.

L’edificio, danneggiato notevolmente dal terremoto del 1789, è ristrutturato da Giuseppe Valadier (1762-1839), che lo rinnova in stile neoclassico. La facciata assume l’attuale volto palladiano su disegno di Camillo Morigia (1743-1795) che progetta l’aggiunta delle statue, eseguite da Giovan Battista Monti: Fede, Speranza, Carità nel timpano, S. Agostino e S. Giovanni Crisostomo, ai lati esterni, S. Crescentino patrono della città, a sinistra della scalinata, Beato Mainardo, a destra della stessa.

La scritta STUDIORUM UNIVERSITATI FASTIGIUM ricorda il contributo dell’Università per il completamento della nuova fabbrica. Ricalcando l’assetto quattrocentesco, la Cattedrale mostra una pianta a tre navate; la sobria decorazione neoclassica di paraste e capitelli è scandita dagli altari delle navate laterali che conservano tele di grande pregio storico-artistico. Da sinistra: (II altare) L’imperatore Eraclio porta la Croce di Palma il Giovane (1548-1628); (IV altare) Annunciazione di Raffaello Motta da Reggio (notizie dal 1550 al 178). A destra: (II altare) Traslazione della Santa Casa di Loreto di Claudio Ridolfi (1570 ca.-1644); (III altare) Martirio di S. Sebastiano di Federico Barocci (1535-1612); (IV altare) S. Cecilia di Federico Barocci, da Raffaello.

Sull’altare maggiore troneggia l’Assunta con S. Crescentino e il Beato Mainardo di Cristoforo Unrterberger (1723-1798). Nell’abside, le cappelle laterali risparmiate dal sisma, sono veri e propri scrigni d’arte. La Cappella di sinistra, dedica- ta al SS. Sacramento, è stata rinnovata a partire dal 1568 grazie al sostegno economi- co del Duca di Urbino Francesco II Maria della Rovere. Proprio per questo sacello Federico Barocci realizza uno dei suoi indiscussi capolavori, l’Ultima cena (1590-99).

La Cappella della Concezione è stata ristrutturata alla metà del XVII secolo mentre le tele poste alle pareti furono commissionate da Papa Clemente XI (1700-1721), Natività della Vergine (1709) di Carlo Cignani (1628–1719), Assunzione della Vergine (1707) di Carlo Maratta (1625–1713).

L’abside conserva un frammento d’affresco riferibile all’inizio del XIV secolo e attribuibile all’ambito dei senesi Lorenzetti, proveniente dall’antica cattedrale e reimpiegato già nella fabbrica martiniana.