La cattedrale di Aosta vanta origini antichissime legate alle fasi iniziali della diffusione del cristianesimo nella regione. Essa venne fondata in prossimità dell’antico complesso forense romano alla fine del IV secolo, epoca in cui verosimilmente fu costituita la diocesi. Alla fine del X secolo ebbe inizio la ricostruzione dell’edificio che fu portata a termine dopo la metà del secolo successivo, intorno al 1065. Gran parte della struttura romanica è tuttora visibile: l’impianto basilicale a tre navate, la cripta, le due torri campanarie orientali e i grandi pilastri quadrangolari. La chiesa romanica si concludeva però a ovest con un massiccio occidentale caratterizzato da un’abside semicircolare affiancata da due campanili speculari a quelli orientali. Come per l’edificio paleocristiano l’ingresso era posizionato sul fianco meridionale. Al grande cantiere dell’XI secolo parteciparono importanti maestranze di pittori che decorarono le pareti della navata centrale. Del complesso ciclo affrescato è ancora visibile nell’attuale sottotetto parte del livello superiore, raffigurante sulla parete nord un fregio ad archi con le figure degli antenati di Cristo e la leggenda di sant’Eustachio e sulla parete sud dei ritratti di personaggi ecclesiastici e scene dell’Antico e del Nuovo Testamento. La realizzazione dei mosaici pavimentali e del deambulatorio a cappelle radiali in sostituzioni delle absidi romaniche orientali sono alcune delle importanti trasformazioni e abbellimenti avvenute nel corso del XII-XIII secolo che culminarono tra Quattro e Cinquecento con la demolizione del massiccio occidentale, la costruzione delle volte interne a crociera con costoloni e la realizzazione - tra il 1522 e il 1526- di una nuova facciata decorata con affreschi e sculture in cotto, i cui lavori furono affidati al pittore lombardo Ambrogio Bellazzi da Vigevano.
Alla metà del XVIII secolo risale la sistemazione del nuovo altare maggiore marmoreo (1758), ad opera del luganese Francesco Albertolli, mentre alla metà dell’Ottocento datano la facciata neoclassica, progettata dall'architetto Gayo (1846-1848) e la cappella neogotica dedicata al santo Rosario (1862).