La Cattedrale sorge in corrispondenza del settore orientale del foro dell’antica città di Alba Pompeia, ove sono emerse poderose mura romane di un grande complesso edilizio pubblico. I resti di una struttura ottagonale, in fondo alla navata destra, segnano il luogo di prima edificazione del battistero raccordato mediante un atrio alla basilica paleocristiana (VI secolo ca.).
La sobria facciata in cotto, rimaneggiata durante l’intervento di restauro (1867-1872) dell’architetto vercellese Arborio Mella, presenta un rosone centrale aperto durante questi lavori, la statua di San Lorenzo martire di Luigi Cocchio e quelle dei Simboli degli Evangelisti di Carlo Dusio (1878).
L’interno della cattedrale lascia intuire la lunga storia dell’edificio che racchiude le tracce di antichi restauri e ricostruzioni.
La chiesa primitiva fu ampliata alla fine del X secolo, mentre l’impianto romanico risale all’ultimo quarto dell’XI. Ad un complesso intervento della seconda metà del XII secolo si ascrive la realizzazione degli splendidi portali, di una pavimentazione in lastre di pietra su cui poggia la scala d’ingresso di forma poligonale e del campanile che ne ingloba uno più antico (fine X – inizio XI secolo). Tra il 1486 e il 1516 il vescovo Andrea Novelli dispose i lavori per una radicale ricostruzione della Cattedrale, quale fase conclusiva di un processo di riordino dell’assetto urbano della città. Il vescovo Paolo Brizio, nel 1652, diede inizio a necessari lavori di ristrutturazione e furono realizzate le due profonde cappelle del transetto dedicate al SS. Sacramento e a S. Teobaldo che ospita l’Arca monumentale (1515-1525) dedicata al santo ciabattino. L’ultima complessa rielaborazione della Cattedrale è quella ottocentesca. Il settore absidale ospita l'altare maggiore in marmi policromi, realizzato nel 1712 da Giuseppe Gaggini su committenza di Monsignor Giuseppe Roero, uno splendido coro ligneo del 1512 e la pala d’altare con S. Lorenzo realizzata dal pittore Claudio Francesco Beaumont nel 1766. Le vestigia del periodo tardo-romano e alto medioevale sono visibili nell’area archeologica del Museo diocesano nel sottopiano della Cattedrale.