L’odierna piazza Giovanni XXIII sorge sulla parte meridionale di quella che al tempo di Augusta Praetoria era l’area sacra del Foro romano, delimitata dal criptoportico.
La cruciale importanza che questa zona rivestiva per la vita della città, non venne meno nei secoli che videro il progressivo declino e la fine di quello che fu il mondo romano: ad est del criptoportico infatti, sorse il primo edificio dedicato al culto cristiano.

In questo complesso preesistente, sorse verso la fine del IV secolo la Cattedrale. Si trattava di un edificio di imponenti dimensioni, ad un’unica navata absidata, dotato di un battistero ad ovest e di vari locali annessi, uno dei quali destinato a battistero secondario. La facciata si trovava a pochi metri dalle strutture del braccio orientale del criptoportico ed era praticamente collegata a questo dalle strutture del battistero principale. Questo complesso, al quale vennero ad aggiungersi alcuni vani meridionali destinati a residenza episcopale o ad abitazioni del clero, restò in uso per più secoli ed il suo aspetto non venne significativamente modificato, salvo una fase costruttiva altomedievale, sino al grande cantiere romanico che diede alla Cattedrale l’aspetto che sostanzialmente conserva ancora oggi.
A questa fase dell’XI secolo risale anche l’importante ciclo di affreschi che sono stati riportati alla luce nel sottotetto della chiesa: assieme a quelli di Sant’Orso, fanno di Aosta uno dei principali centri di arte Ottoniana in Europa.

Nella seconda metà dell’XI secolo venne completamente rifatto il corpo di fabbrica occidentale che risultò composto da due torri e da un’abside centrale aggettante; nel XIII secolo vennero abbattute due delle cinque absidi originarie e realizzato il deambulatorio, un corridoio anulare attorno al coro. Tra il XV ed i primi anni del XVI secolo, poi, i vescovi di Aosta promossero un radicale restauro della chiesa e la arricchirono di numerose opere d’arte. L’alto coro, dominato da un crocifisso ligneo del XIV secolo, presenta due ordini di stalli scolpiti verso il 1460; sul pavimento sono visibili due mosaici del XII e del XIV secolo, che rappresentano rispettivamente i mesi dell’anno e una serie di animali reali e fantastici assieme ai fiumi Tigri ed Eufrate.

L’altare maggiore è barocco, in marmo nero con intarsi multicolori. Scendendo dal coro, due scale, una a destra e l’altra a sinistra, danno accesso alla cripta dell’XI secolo; la sua pianta è articolata in tre navate separate da agili colonnine medievali e da più robuste colonne romane di reimpiego. Sulla parete di fondo sono visibili le entrate originarie poste ad ovest.

La facciata della Cattedrale si compone di due parti distinte: un atrio cinquecentesco ed una fronte neoclassica aggiunta nel 1848. L’atrio presenta un elegante prospetto architettonico in cotto, ornato da statue e da affreschi raffiguranti scene della vita della Vergine cui la chiesa è dedicata, bell’esempio di arte rinascimentale in Valle d’Aosta.

Attiguo alla chiesa, sul lato settentrionale, si trova il chiostro. Si tratta di un edificio a pianta trapezoidale terminato nel 1460 che venne a sostituirne uno analogo che già esisteva nell’XI secolo. I suoi elementi architettonici sono caratterizzati dalla presenza di materiali diversi: il bardiglio grigio, usato per i pilastri, si alterna al gesso cristallino dei capitelli e al calcare, utilizzato per i conci degli archi. I capitelli sono di due tipi: alcuni sono decorati con motivi vegetali e figure di uomini e animali, altri recano scolpiti i nomi di coloro che contribuirono alla costruzione. Nello spiazzo centrale si erge una colonna romana sormontata da un capitello corinzio, probabili testimonianze della vicina area forense. Verso il 1860 l’ala meridionale del chiostro venne in gran parte demolita per lasciare spazio alla neogotica cappella del Rosario.

Il Museo del Tesoro presenta una panoramica significativa dell’arte valdostana dei secoli XIII-XVIII, unendo ai pezzi del ricco tesoro della Cattedrale alcune opere d’arte provenienti da diverse parrocchie della Valle.