Del primo duomo di Cesena, dedicato a San Giovani Battista, restano testimonianze documentarie molto scarse.
L'idea di costruire un'altro duomo risale al 1368 per volere di papa Urbano VI al posto della chiesa di Sant'Antonio Abate.
I lavori iniziarono nel 1385 e terminarono nel 1398.
Fra il 1467 e il 1517 la chiesa si arricchì di importanti opere scultoree, mentre fra il '400 e il '500 fu completata la facciata.
Al 1572 risalgono i lavori di ristrutturazione e ridecorazione su commissione del vescovo Edoardo Gualandi che comportarono la chiusura della cripta situata al centro della navata principale e la trasformazione delle cappelle e del presbiterio.
Al 1651 risale la realizzazione della volta della navata, mentre al 1746 la costruzione della cappella della Madonna del Popolo.
Intorno al 1810 importanti lavori di ristrutturazione misero fine all'aspetto originario del duomo, basti pensare che furono eliminati il baldacchino sull'altare maggiore, il pulpito e i dodici quadroni con gli Apostoli.
Tra il 1843 e il 1844 l'interno fu trasformato con l'aggiunta di archi acuti alle finestre e volte a crociera sulle navate.
Tutto questo rimase in vita fino al 1957, anno in cui Ferdinando Forlati decise di recuperare le parti architettoniche autentiche; a lui si deve l'abbassato del pavimento, il ripristino dei pilastri, la demolizione delle crociere, il recupero delle capriate lignee, nonchè l'eliminazione degli altari ottocenteschi in cemento e la costruzione di una nuova cripta sotto il presbiterio.
La facciata del duomo in laterizio è scandita, nella parte inferiore, da otto lesene, mentre nella parte centrale, è sormontata da un timpano triangolare e una coppia di lesene in cotto ornate.
Il portale in pietra strombato è ornato da colonnine tortili e accoglie in una nicchia, la scultura della "Madonna col Bambino".