Risale al 1024 l’istituzione di un collegio di canonici in Pinerolo per mano del vescovo di Torino Landolfo, il che lascia presupporre l’esistenza di una chiesa. Tuttavia la prima vera citazione dell’attuale duomo risale al 14 marzo 1044, quando il marchese Enrico di Monferrato e la contessa Adelaide donavano alla chiesa di San Donato tre mansi situati nel luogo di Pinerolo. Nei diplomi del 26 ottobre 1078 la stessa Adelaide, e la sorella Agnese, donano al monastero di Abbadia le collegiate di San Maurizio e San Donato, azione lodata e confermata dal vescovo di Torino Cuniberto, che tra l’altro era prevosto delle medesime chiese.

La costruzione originaria, già a tre navate, e verosimilmente in stile romanico lombardo, all’inizio del Quattrocento veniva rimaneggiata in forme gotiche, probabilmente per volontà della potente corporazione dei mercanti di lana. A partire dal 1371 è documentato un portico addossato alla facciata della chiesa, sotto il quale si rogavano atti pubblici, e che a fine XV secolo lasciava il posto a una nuova campata della chiesa, la cui nuova facciata veniva ricostruita con angolo svirgolo a nord per non farla aderire ai vicini portici della piazza. Da quella parte sono ricordati, fin dal 1349 le case del prevosto e dei canonici, e fin dal 1391 un chiostro loro addossato, tutto demolito entro l’inizio del XVII secolo per lasciar posto alla nuova ampia cappella del Rosario, e all’ampliamento del cimitero, quest’ultimo già citato fin dal 1192, e occupante gran parte della piazza presso il campanile. La torre campanaria, costruita a partire dal 1420, nel 1543 veniva ultimata con un coronamento merlato. Infine, la vecchia sacrestia si trovava a sud dell’abside già nel 1456, e veniva ricostruita verso il 1509 per mano del prevosto Baldassarre Bernezzo, il cui monumento funebre antropomorfo è conservato presso l’adiacente cappella dei Magi.

Nel 1748, con l’istituzione della Diocesi di Pinerolo, il titolo di cattedrale viene tolto alla chiesa abbaziale del Monastero di Abbadia, e attribuito alla collegiata di San Donato: nel periodo 1766-78 si realizzavano imponenti lavori di restauro che trasformarono la chiesa in stile barocco, per volontà del primo vescovo, mons. D’Orlié de St-Innocent, che in questo modo pone un evidente segno di cesura col passato. Aderendo a tale gusto, si rendono le colonne squadrate, e ribassate le volte delle navate; e nel 1781 si rimodella l’altar maggiore in marmo, disegnato da Gerolamo Buniva, con araldica sabauda ad indicare l’importante contributo di Vittorio Amedeo III di Savoia. All’esterno, presso il cimitero che rimarrà in piazza non oltre il 1826, la torre campanaria viene rialzata con l’aggiunta degli otto arconi, costruiti nel 1763 dal Comune. Mentre la vicina sacrestia, danneggiata durante il bombardamento del 1693, veniva riedificata e ampliata tra il 1712 e l’anno successivo, per opera del canonico Gioan Domenico Belli.

La chiesa, già provata dal terremoto del 1808, veniva integralmente restaurata a fine secolo secondo i criteri dell'epoca, che prevedevano il recupero dell’originaria struttura gotica dell’edificio, con estesissime ricostruzioni. A partire dal 1885 vi lavorava Melchiorre Pulciano il quale, dopo la realizzazione della nuova facciata con l’aggiunta nel 1887 di nuovi particolari in terracotta che si ispirano alle decorazioni degli edifici medievali presenti in città, minacciava dimissioni per divergenze col vescovo circa l’eccessiva libertà di quest’ultimo nel voler inserire novità nella struttura originaria del tempio, snaturandolo. Tuttavia non avrebbe abbandonato il cantiere, rallentando però i lavori al lato nord, dove all’indomani di un sofferto compromesso si costruivano le tre cappelle e l’ingresso laterale. Proseguì con maggior velocità e aderenza alle intenzioni del vescovo l'ingegnere pinerolese Stefano Cambiano, che tra il 1902 e il 1905 realizzava le cappelle del lato sud, e tutta la zona absidale dove si fabbricava una nuova sala capitolare al posto della vecchia sacrestia, ed una nuova sacrestia nell’angolo nord-est, quasi sotto il campanile.

Durante le operazioni di asportazione delle sovrastrutture barocche interne, l’apparato decorativo medievale risultò non recuperabile, perciò si rese necessaria una ri-decorazione complessiva della chiesa.