La Cattedrale gotica per eccellenza. Secondo la tradizione, il Duomo fu costruito come luogo adeguato per conservare la reliquia del corporale, il lino sacro su cui rimase impresso il sangue stillato quando un sacerdote boemo, incredulo riguardo alla Transustaziazione, spezzò l'ostia durante la messa nella vicina Bolsena.

I lavori iniziarono sotto il pontificato di Nicola IV nel 1290 e la prima messa vi fu celebrata il 15 agosto 1297 da Bonifacio VII. Il primo costruttore di cui si hanno notizie è il benedettino Fra Bevignate; edificò le tre navate fino alla crociera. Sotto Giovanni Uguccione, venne completata la crociera e l'abside.

Nel 1305, l'architetto Lorenzo Maitani rafforzò con quattro archi rampanti i lati della crociera e con due l'abside, in seguito assumendo la direzione dei lavori, ideò e modificò la facciata a tre cuspidi e proseguì la costruzione del tetto. All'interno l'impronta dell'artista rimane visibile nella tribuna, collocata sopra le ali dei contrafforti orientali, la cui costruzione fu terminata dopo la sua morte avvenuta nel 1330.

Sui muri delle navate laterali si aprono dieci cappelle con volta a mezza cupola. Il pavimento del Duomo è in marmo rosso di Prodo, ( paese nelle vicinanze di Orvieto) , fu iniziato nel 1347 per essere poi completato fra il 1383 ed il 1388.Il fonte battesimale, in fondo alla navata laterale sinistra, sotto il primo arco, fu disegnato ed iniziato da Luca di Giovanni nel 1390 e nel 1406 il senese Sano di Matteo completò l'opera aggiungendo una vasca monolitica in marmo rosso, poggiante su otto leoni, il tempietto.

Di faccia al fonte battesimale, sulla parete di sinistra, si può notare la stupenda Maestà, opera di Gentile da Fabriano (1425).La navata centrale culmina con uno stupendo finestrone gotico, alto 16.30 metri e largo 4.55 metri, iniziato da Giovanni Bonino di Assisi (1325), poi terminato da Nicola di Nuti nel 1334, la cui vetrata si compone di quarantotto riquadri riproducenti le storie della Vergine e di Gesù, figure di Santi, dei Dottori e degli Evangelisti.

Le pareti dell'abside presentano affreschi di scuola orvietana eseguiti da Ugolino del Prete Ilario e Pietro di Puccio fra il 1370 ed il 1380. Furono restaurati nel 1491 da Giacomo di Bologna e poi dal Pinturicchio e Antonio da Viterbo detto Pastura. Tali affreschi, in parte perduti, rappresentano nella volta la "Gloria di Maria" e nelle pareti la "vita di Maria".

L'abside è divisa dal transetto da una grandiosa gradinata in travertino sormontata da una balaustra in marmo rosso scuro, opera di Ippolito Scalza al quale si deve pure la Pietà, gruppo di quattro figure altamente espressive, scolpite in un unico blocco marmoreo. La bella e monumentale architettura dell'organo, situato sopra la porta della Cappella del Corporale, dipinto poi da Cesare Nebbia e la statua a destra della balaustra rappresentante l'Ecce Homo del 1608, ultima opera dello Scalza.

Da notare sono anche il Cristo alla colonna, dalla parte sinistra della balaustra, di Gabriele Mercanti (1627), il Cristi nell'edicola a sinistra della cancellata del Corporale e la Madonna in quella a destra di Montelupo ed infine Adamo ed Eva nella parete opposta alla crociera rispettivamente di Toti e di Montelupo.

I tre portali sulla facciata sono di grande effetto. Quelli laterali terminano ad ogiva, mentre quello centrale a tutto tondo; la strombatura ha una stupenda decorazione che vede alternarsi una serie di colonnine con fascioni decorativi. Nel 1970 furono sostituite le antiche porte lignee con quelle bronzee realizzate da Emilio Greco.Nella porta centrale, suddivisa in sei pannelli, sono raffigurate le sette opere della Misericordia: da sinistra e dall'alto troviamo: " Dar da bere agli assetati e da mangiare agli affamati, Vestire gli ignudi, Alloggiare i pellegrini, Seppellire i morti, Visitare i carcerati, Visitare gli infermi".Le porte laterali sono caratterizzate dalla presenza di due angeli molto grandi che sostituiscono i battenti.