In questo tempio si trovano gli affreschi del Giudizio Universale di Luca Signorelli, uno lei capolavori del Rinascimento.
In una Cappella è venerato il sangue stillato nel 1263 dall'Ostia consacrata mentre celebrava Messa il sacerdote boemo Pietro da Praga, che non credeva nella transustanziazione (la conversione del pane e del vino nel corpo e lei sangue di Cristo).
Nel 1290, in ricordo del prodigio, Papa Urbano IV innalzò questo edificio nel luogo più alto della città.

Il marmo utilizzato per il rosone pare provenisse dal Tempio di Giove Capitolino a Roma. La facciata, la più ardita e ricca di colori del gotico italiano, è da contemplare al tramonto quando è illuminata dai raggi del sole che ne risalta i colori.

I bassorilievi trecenteschi sui pilastri tra le porte i trecenteschi sui pilastri tra le porte rappresentano scene bibliche ed evangeliche ricchissime di particolari; sopra i pilastri trovano posto le statue in bronzo dei quattro evangelisti.

I mosaici occupano i grandi spazi che si trovano tra gli elementi architettonici portanti: il tema iconografico è quello delle storie della Vergine: dalla Natività, rappresentata nel triangolo sopra il portale destro, all'Assunzione, sopra il portale maggiore, fino all'incoronazione rappresentata nella cuspide superiore della facciata.

L'interno del Duomo è a tre navate, di cui è altissima quella centrale, è illuminato dalla luce che filtra dalle lastre di alabastro e dalla grande quadrifora dell'abside.
Il pavimento è in calcare rosso e crea un effetto ottico che fa sembrare la lunghezza della chiesa maggiore di quanto non sia in realtà (88 metri).

In fondo alla navata di destra si giunge alla Cappella di San Brizio, ricreata nel 1444 fu chiamato uno dei più celebri pittori dell'Epoca per la sua decorazione: il Beato Angelico che scelse come tema iconografico quello del Giudizio Universale. I lavori subirono però un'interruzione lunga ben 50 anni e furono ripresi da Luca Signorelli, altro maestro dell'epoca che si ispirò alla Divina Commedia di Dante per dipingere i sette affreschi: l'Anticristo, la Fine del Mondo, la Resurrezione della Carne, i Dannati, i Beati, l'Inferno e il Paradiso.

In fondo alla navata opposta, quella sinistra, si apre invece la cappella del Corporale che custodisce in un reliquiario capolavoro di oreficeria il sacro lino macchiato del sangue di Cristo nel miracolo di Bolsena.