La actual plaza Giovanni XXIII surge en la parte meridional de lo que en tiempos de Augusta Praetoria era el área sagrada del foro romano, delimitada por el Criptopórtico.
La importancia crucial de esta zona para la vida de la ciudad no faltó en los siglos que vieron la progresiva decadencia y el final del imperio romano: al este del Criptopórtico se erigió el primer edificio dedicado al culto cristiano.

En este complejo preexistente, hacia finales del siglo IV se construyó la Catedral. Se trataba de un edificio de dimensiones imponentes, de una sola nave con ábside, con baptisterio al oeste y varios locales anexados, uno de los cuales se utilizaba como baptisterio secundario. La fachada estaba a pocos metros de las estructuras del brazo oriental del criptopórtico y prácticamente estaba conectada a éste por las estructuras del baptisterio principal. A este complejo se añadieron otros compartimientos meridionales destinados a la residencia episcopal o a habitaciones para el clero, y se siguió utilizando durante varios siglos. Su aspecto no se modificó significativamente, salvo por una fase constructiva del tardo medioevo, hasta la gran obra románica que dio a la catedral su aspecto actual. A esta fase del siglo XI pertenece también el importante ciclo de frescos descubiertos en el techo de la iglesia: junto con los de San Orso, hacen de Aosta uno de los principales centros de arte otoniana de Europa.

En la segunda mitad del siglo XI se rehizo por completo el cuerpo de fábrica occidental que resultó compuesto por dos torres y un ábside central; en el siglo XIII se demolieron dos de los cinco ábsides originales y se realizó el deambulatorio, un pasillo anular en torno al coro. Entre los siglos XV y XVI los obispos de Aosta promovieron una restauración radical de la iglesia y la enriquecieron con numerosas obras de arte. El alto coro, dominado por un crucifijo de madera (siglo XIV), presenta dos órdenes de escaños esculpidos hacia 1460; en el piso se ven dos mosaicos de los siglos XII y XIV que representan los meses del año y una serie de animales reales y fantásticos, además del Tigris y el Éufrates.

El altar mayor es barroco, de mármol negro con taraceas multicolor. Bajando dos escaleras desde el coro, una a la derecha y otra a la izquierda, se accede a la cripta del siglo XI: una planta articulada en tres naves separadas por columnillas medievales y varias sólidas columnas romanas. Sobre la pared de fondo se ven las entradas oeste originales.

La fachada de la Catedral se compone de dos partes: un atrio del siglo XVI y un frente neoclásico de 1848. El atrio presenta un elegante frente arquitectónico de cerámica, decorado con estatuas y frescos de la vida de la Virgen, a quien está dedicada la iglesia, bello ejemplo de arte renacentista de Valle de Aosta.

Junto a la iglesia, del lado septentrional, está el claustro. Se trata de un edificio de planta trapezoidal terminado en 1460 que sustituyó otro análogo existente ya en el siglo XI. Sus elementos arquitectónicos se caracterizan por la presencia de distintos materiales: el mármol bardiglio gris utilizado para los pilares se alterna con el yeso cristalino de los capiteles y la piedra caliza utilizada para los frisos de los arcos. Los capiteles son de dos tipos: algunos están decorados con motivos vegetales y figuras de hombres y animales; otros llevan esculpidos los nombres de quienes contribuyeron a la construcción. En el espacio central se erige una columna romana dominada por un capitel corinto, probables testimonios de la cercana área forense. Hacia 1860 el ala meridional del claustro fue en gran parte demolida para dar espacio a la neogótica capilla del Rosario.

El Museo del Tesoro presenta una panorámica significativa del arte valdostana de los siglos XIII-XVIII. Además de los elementos del rico tesoro de la catedral expone obras de arte de diferentes parroquias del Valle.