La basilique-cathédrale est située sur le côté droit de la place Duca Federico, non loin du palais ducal. En 1021, le titre de cathédrale est transféré de l’église suburbaine de San Sergio à celle consacrée à Notre-Dame de l’Assomption, Santa Maria del Castello, consacrée de nouveau après un probable agrandissement par l’évêque Mainard, en 1066. Durant les années 1474-1488, la cathédrale de forme romano-gothique est totalement reconstruite sur le dessin du siénnois Francesco di Giorgio Martini (1439-1501) en suivant des modules de la Renaissance simples et élégants. Mais la cathédrale à été complétée seulement entre 1604 et 1607, avec la coupole octogonale dessinée par l’urbinate Muzio Oddi (1569-1639), en respectant le projet de Martini.

L’édifice, gravement endommagé par le tremblement de terre de 1781, a été restructuré par Giuseppe Valadier (1762-1839) qui le rénove en suivant le style néoclassique. La façade prend l’aspect actuel de palladium, suivant le dessin de Camillo Morigia (1743-1795) qui projette l’ajout des statues, sculptées par Battista Monti : Foi, Espérance et Charité dans le tympan, les saints Augustin et Jean-Chrysostome sur les côtés extérieurs et les saints Crescentin, patron de la ville et le bienheureux Mainard, respectivement à gauche et à droite des escaliers.

L’inscription STUDIORUM UNIVERSITATIS FASTIGIUM évoque la contribution de l’université pour l’accomplissement de la nouvelle fabrique. En suivant l’aspect du quinzième siècle, la cathédrale montre une organisation à trois nefs : la sobre décoration néoclassique de colonnes portantes et de chapiteaux est ponctuée par les autels des nefs latérales qui recèlent des toiles d’une grande valeur historique et artistique. A gauche, sur le second autel : l’empereur Héracle porte la Croix de Palma il Giovane, sur le quatrième autel l’Annonciation de Raffaello Motta da Reggio (vers 1550-1578), à droite sur le second autel Translation de la Sainte Maison de Lorette de Claudio Ridolfi (vers 1570-1644), sur le troisième autel Martyr de Saint Sébastien de Federico Barocci (1535-1612) et sur le quatrième autel Sainte Cécile de Federico Barocci.

Sur l’autel majeur trône Notre-Dame de l’Assomption avec Saint Crescentin et le Bienheureux Mainard de Cristoforo Unterberger (1723-1798). Dans l’abside, les chapelles latérales épargnées par le séisme sont d’authentiques œuvres d’art. La chapelle de gauche, dédiée au Saint Sacrement, a été rénovée à partir de 1568 grâce au soutien économique du duc d’Urbino Francesco II Maria della Rovere. C’est pour cela que Federico Barocci réalise un de ses plus indiscutés chefs d’œuvre : la Cène (1590-1599)

La chapelle de la Conception a été restructurée lors de la moitié du XVII° tandis que les toiles exposées aux murs ont été commandées par le pape Clément XI (1700-1721) : la Naissance de la Vierge (1709) de Carlo Cignani (1628-1719), l’Assomption de la Vierge (1707) de Carlo Maratta (1625-1713).

L’abside conserve un fragment de fresque remontant au début du XIV° et que l’on attribue au milieu artistique siénnois.