Les origines de cette église se placent, à la fois, dans la légende et dans l'histoire. Elle serait ainsi édifiée sur un temple d'Apollon. Sa situation sur l'ancienne voie Aurélienne fait d'elle un trait d'union, un relais entre le monde romain et le monde chrétien aixois. La construction de la cathédrale a évolué entre le Ve et le XVIIIe siècle et se lit d'emblée sur sa façade : à droite, au sud, le portail roman du XIIe siècle jouxte un mur romain, tandis qu'à gauche, au nord, le vaste portail gothique richement sculpté du XVe et du XVIe siècle est surmonté au nord d'un clocher octogonal dans sa partie supérieure, érigé entre 1323 et 1425. Toutes les statues de la façade ont été détruites pendant la Révolution, et seront remplacées seulement au XIXe siècle. Seuls la Vierge du trumeau et le Grand Saint Michel subsistent dans leur état d'origine.
La cathédrale est classée Monument Historique en 1840. A l'intérieur, la cathédrale unit trois nefs de styles différents : roman, gothique et baroque. La nef romane offre des voûtes soulignées d'une frise imitée de l'Antique et ses chapiteaux corinthiens sont spécifiques du XIIe siècle provençal. Celle-ci flanque le baptistère, dont les colonnes supportant son dôme octogonal proviennent, dit-on, d'un temple antique. Sa cuve centrale rappelle l'ancienne pratique du baptême par immersion.
Au dessus des portes de la nef gothique se trouve un grand vitrail moderne qui remplace celui de Jean Joye, détruit là aussi sous la Révolution. En traversant le choeur entouré de 17 magnifiques tapisseries flamandes de la première moitié du XVIe siècle, on pénètre dans le cloître. Edifié à la fin du XIIe, il est de petite dimension et respire la tranquillité et l'élégance. Ses galeries charpentées offrent une décoration abondante et variée grâce à ses piliers et chapiteaux sculptés de figures humaines, animales, de végétaux et d'êtres fantastiques. Aux angles sont symbolisés les quatre évangélistes. Le cloître est classé en 1875. Le sous-sol conserve le dallage et les fondations d'une grande cour datant du Ier siècle, qui s'étend jusqu'à la place de l'Archevêché et qui était peut être le forum de l'ancienne ville romaine.
