En 1024, à Pinerolo existait un collège de chanoines. Ce collège, crée par l’évêque de Turin Landolfo, nous amène à penser qu’à cette époque il y avait déjà une église, toutefois, on parle pour la première fois d’une église en 14 mars 1044 lorsque le marquis Enrico de Monferrato et la comtesse Adelaide donnaient à l’église des terrains situés à Pinerolo. Dans des documents datant du 26 octobre 1078, Adelaide et sa sœur Agnese donnaient au Monastère de Abbadia les collégiales de San Maurizio et San Donato. Don lodé par l’évêque de Turin Cuniberto, qui était prévôt dans les mêmes églises.

L’église d’origine avait 3 nefs probablement de style roman lombard. Au début de l’année 1400, l’église a été transformé en style gothique peut-être en raison de la corporation des marchands de laine. En 1371, un document mentionne un portique devant la façade de l’église au-dessus duquel se déroulait la vie publique de la ville et qui, à la fin du XV siècle, lassa place à une nouvelle travée de l’église. Jusqu’en 1349 il y avait les maisons appartenant aux chanoines. A partir de 1391 il y avait un cloître démoli avant le début du XVII siècle pour laisser place à une nouvelle large chapelle du Chapelet et à l’expansion du cimetière (déjà documenté en 1192). La construction du clocher a débuté en 1420 et s’est achevé en 1543. La vielle sacristie se trouvait, déjà, au sud de l’abside en 1456 et a été reconstruite vers 1509 sous la demande de Baldassarre Bernezzo. Son monument funèbre se trouve dans la Chapelle des Mages.

En 1748, année de l’institution du diocèse à Pinerolo, San Donato devient une cathédrale. Dans les années 1766-1778 par volonté du 1er évêque, Mons D’Orlié de St Innocent, des grands travaux de rénovation donnent à l’église un aspect baroque. C’est à cette époque que les colonnes se font plus carrées et que les voûtes constituant les nefs se baissent. En 1781, grâce à Gerolamo Buniva sur l’autel en marbre apparaît l’héraldique de la maison de Savoie. Ce blason montre l’importante contribution de Vittorio Amedeo III de Savoie. A l’extérieur de l’église, auprès du cimetière qui restera dans la place San Donato jusqu’au 1826, en 1763 sur le clocher 8 grands arcs ont été construit. La sacristie, endommagée suite aux bombardements de 1693, a été reconstruite et agrandie (1712-1713) grâce au chanoine Gioan Domenico Belli.

L’église, endommagée par le tremblement de terre de 1808, a été totalement restaurée à la fin du XIX siècle selon les directives de l’époque qui prévoyaient la récupération de la structure gothique d’origine. En 1885 Melchiorre Pulciano a réalisé la nouvelle façade en ajoutant des éléments en terre-cuite, lesquels s’insiprent d’éléments du moyen-âge présent dans toute la ville. Ce choix a presque obligé l’artiste à démissionner en raison des divergences existantes avec l’évêque qui voulait ajouter des nouveautés à la structure d’origine de l’église. Cette mésentente a causé un retard dans les travaux. La situation s’est améliorée avec l’ingénieur pinerolé Stefano Cambiano, qui entre les années 1902 et 1905, réalisa les chapelles du côté sud et la zone absidale.

Lors des travaux d’enlèvement des superstructures baroques internes, les décorations médiévales se révélaient irrécupérables. C’est pour cette raison que l’église a dû être décorée de nouveau.