L’actuelle place Jean XXIII se situe dans la partie sud de celle qui, à l’époque d’Augusta Praetoria, était la zone sacrée du Forum romain, délimitée par le cryptoportique.
L’importance cruciale que cette zone revêtait pour la ville, n’a pas perdu de sa force au cours des siècles qui virent le déclin progressif et la fin de ce qui fut le monde romain : le premier bâtiment consacré au culte chrétien se situe en fait à l’est du cryptoportique.

La cathédrale a été bâtie vers la fin du IVème siècle dans ce complexe. Il s’agit d’un bâtiment aux dimensions imposantes, à une seule nef en forme d’abside, présentant un baptistère à l’ouest et différentes pièces en annexe, dont une est destinée au second baptistère. La façade se situait à quelques mètres des murs du bras est du cryptoportique et était pratiquement reliée à ce dernier par les murs du baptistère principal. Cet ensemble, auquel furent ajoutées des pièces au sud destinées à la résidence épiscopale ou aux logements du clergé, a été utilisé pendant plusieurs siècles. Son aspect ne s’est pas modifié de façon significative (sauf lors d’une phase de construction pendant le haut Moyen-âge), jusqu’au grand chantier roman qui donna à la cathédrale l’aspect qu’elle conserve en substance encore aujourd’hui. L’important cycle de fresques appartient à cette phase du XIème siècle. Ces dernières ont été découvertes dans le plafond de l’église: elles font d’Aoste, grâce aussi aux fresques de Saint Ours, l’un des principaux centres d’art ottonien en Europe.

Au cours de la deuxième moitié du XIème siècle, le corps à l’ouest fut entièrement refait. Deux tours et une abside centrale en saillie furent construites. Au cours du XIIIème siècle, deux des cinq absides originales furent détruites et le déambulatoire, un couloir en anneau autour du chœur, fut réalisé. Entre le XVème et les premières années du XVIème siècle, les évêques d’Aoste lancèrent une restauration radicale de l’église et l’enrichirent de nombreuses oeuvres d’art. Le chœur élevé, dominé par un crucifix en bois (XIVème siècle), présente deux rangées de stalles sculptées vers 1460. Deux mosaïques du XIIème et du XIVème siècle, représentant les mois de l’année, une série d’animaux réels ou fantastiques ainsi que le Tigre et l’Euphrate, peuvent être admirées sur le sol.

Le maître-autel est baroque, en marbre noir et marqueterie multicolore. En descendant du chœur, deux escaliers, l’un à droite et l’autre à gauche, conduisent à la crypte du XIème siècle. Elle est divisée en trois nefs séparées par de fines petites colonnes médiévales et par des colonnes romaines recyclées plus robustes. Les entrées d’origine, placées à l’ouest, sont visibles sur le mur du fond.

La façade de la cathédrale se compose de deux parties distinctes : un atrium du seizième siècle et une façade néoclassique de 1848. L’atrium présente une élégante façade en terre cuite, ornée de statues et de fresques évoquant la vie de la Vierge à laquelle l’église est consacrée. C’est un bel exemple de l’art de la Renaissance dans la Vallée d’Aoste.

Le cloître se situe sur le côté nord de l’église. Il s’agit d’un bâtiment à la forme de trapèze, terminé en 1460, qui remplace un bâtiment analogue qui existait déjà au XIème siècle. Les éléments de son architecture sont caractérisés par la présence de différents matériaux: le marbre bardiglio gris, utilisé pour les pilastres, s’alterne avec le plâtre cristallin des chapiteaux et le calcaire, utilisé pour les conques des arcs. Les chapiteaux sont de deux types: certains sont décorés de motifs végétaux et de représentations d’hommes et d’animaux, d’autres contiennent les noms sculptés de ceux qui ont contribué à la construction. Une colonne romaine surmontée d’un chapiteau corinthien se dresse sur le parvis central et est le témoin probable du forum tout proche. Vers 1860, l’aile sud du cloître a été en grande partie démolie, pour laisser la place à la chapelle néogothique du Rosaire.

Le Musée du Trésor abrite une vaste sélection de l’art valdôtain des XIII-XVIII siècles, en unissant aux pièces du riche trésor de la cathédrale, des oeuvres d’art provenant de différentes paroisses de la vallée.