La Catedral de Orvieto es una obra maestra indiscutible de la arquitectura gótica medieval tardía. Esto se debe a la variedad de elementos decorativos, perfectamente integrados entre sí, resultado del trabajo de muchos artistas diferentes, y a la majestuosidad de las formas estructurales. Este edificio es único en el paisaje arquitectónico nacional. Es el símbolo de la ciudad: se alza y domina toda la meseta sobre la que se levanta. Algunos de los más eminentes maestros de la Edad Media italiana contribuyeron a su realización durante más de tres siglos, del XIII al XVII.
Según las fuentes, la primera piedra fue colocada en 1290 por voluntad conjunta de la Iglesia, en la persona del Papa Urbano IV, y de la ciudad. Fue necesario cumplir un doble requisito: por un lado, la sustitución, en la plaza del pueblo, de las dos pequeñas y mal construidas iglesias de S. María (episcopal) y S. Costanzo (parroquial); por otro lado, la de dar un arreglo digno a la santa reliquia del famoso «Milagro de la Sangre» de Bolsena. Cuenta la tradición que en 1263, en la iglesia de Santa Cristina, durante la misa, la hostia consagrada comenzó a sangrar en manos de un sacerdote que no creía plenamente en el dogma de la transubstanciación. Las gotas de sangre goteaban hasta ensuciar el mantel del altar, el corporal sagrado que, aún hoy, se conserva en la capilla del mismo nombre de la catedral de Orvieto y que se lleva en procesión para la fiesta del Corpus Christi.
El primer proyecto del edificio incluía una basílica románica pero fue al final una estructura puramente gótica cuando Giovanni di Uguccione reemplazó a Fra Bevignate en la dirección de las obras. A partir de 1309, el escultor y arquitecto Lorenzo Maitani fue el encargado de continuar la obra que realizó de manera excelente, creando el ábside rectangular, la vidriera quadrífora detrás del altar, las bellas decoraciones en relieve de los cuatro pilares de la parte inferior de la fachada, hasta las cuatro bellas esculturas de bronce que simbolizan a los evangelistas. Tras la muerte del maestro, la Catedral fue confiado al hábil arte de Andrea Pisano, que ya trabajaba en la Catedral de Florencia y, desde 1359, a la maestría de Andrea di Cione, conocido ccomo el Orcagna, a quien se atribuyen la maravillosa decoración de mosaicos y el rosetón de la fachada.
En los años siguientes, la dirección de las obras pasó de nuevo a personalidades ilustres como Michele Sanmicheli y Antonio da Sangallo il Giovane, y terminó definitivamente con la última intervención realizada en la época moderna, en 1970, cuando las puertas de madera originales fueron sustituidas por las majestuosas puertas de bronce, con escenas dedicadas a las Obras de Misericordia, realizadas por el escultor siciliano Emilio Greco.
La fachada de la Catedral de Orvieto domina la plaza e hipnotiza al espectador con la riqueza de los elementos decorativos que la componen y la grandeza de la estructura sobresale: el brillo de los mosaicos dorados, que describen escenas de la vida de la Asunción de la Virgen a la que está dedicada la Catedral, es el telón de fondo del magnífico del rosetón central, compuesto por una doble hilera de columnas con arcos cruzados enmarcados en los cuatro lados por los mosaicos de los Padres de la Iglesia: San Agustín, San Gregorio Magno, San Jerónimo y San Ambrosio, y las figuras escultóricas de los Apóstoles y Profetas.
Las paredes laterales, mucho más sobrias, se caracterizan por la alternancia de hileras de basalto y travertino que dan al edificio el característico contraste de los colores blanco y verde oscuro. En el interior, la Catedral es de planta de cruz latina, articulado en tres amplias y elegantesnaves, con cubierta de vigas y las mismas franjas alternas de travertino y basalto que se encuentran en el exterior. Entre las obras de arte cabe destacar la Piedad (o Deposición) y el órgano de lengüeta de Ippolito Scalza. Para concluir, no podemos olvidar las obras mestras que se conservan en las dos capillas laterales del transepto: la Capilla del Corporal alberga la reliquia sagrada del «Milagro de Bolsena» en un valioso relicario realizado entre 1337-38 por el orfebre sienés Ugolino di Vieri; la Capilla de la Virgen deSan Brizio está decorada con frescos de pintores famosos como Fra Angelico, Benozzo Gozzoli y Perugino, con la indescriptible obra maestra del Juicio Final, realizada entre 1500 y 1503 por Luca Signorelli en imitación de los frescos de Miguel Ángel de la Capilla Sixtina.