La prima Cattedrale sorgeva, secondo la tradizione, nell'area del sagrato attuale. La pianta è a croce latina, sul campanile è incastonata una lapide di età romana che menziona la Gens Fabia di Veio, titolo che spettò alla popolazione dai tempi della fondazione del municipium nel 49 a.C. La facciata su cui si aprono i tre portali è incompleta. L'interno è suddiviso in tre navate: sulla navata centrale si aprono due grandi cupole, una ellittica, in corrispondenza delle Cappelle di San Gregorio Barbarigo e San Lorenzo Giustiniani e la maggiore, circolare, posta nella crociera. Lungo le navate laterali si aprono le cappelle. Sotto il presbiterio sono poste la Cripta e la Cappella della Santa Croce. Tra gli organi sorge l'altare maggiore di Daniele Danieletti (1770) sormontato dal baldacchino di Cesare Bovo. Il coro ligneo è opera di Filippo Parodi. Il nuovo presbiterio, realizzato in occasione del terzo centenario della morte di San Gregorio Barbarigo, è opera di Giuliano Vangi ed è in marmo di Carrara. La Cripta conserva le spoglie di San Daniele Martire all'interno dell'urna romana posta sotto l'altare.