La Catedral, también majestuosa, está dedicada a San Eusebio, primer obispo de Piamonte y patrón de la ciudad. La actual iglesia catedral de San Eusebio de Vercelli fue reconstruida en 1570 a instancias del cardenal Guido Ferrero sobre la basílica paleocristiana preexistente. El descubrimiento del cuerpo del Santo, que aún se conserva en la Catedral, data de 1581. La estructura actual data del siglo XVI para el ábside, del siglo XVIII para las naves y el crucero, mientras que la cúpula es del siglo XIX. Los trabajos de restauración se iniciaron a mediados del siglo XX y culminaron con las grandes renovaciones iniciadas en 2009 bajo la dirección del arzobispo Enrico Masseroni y finalizadas en 2012. Desde el exterior, el edificio llama la atención por su grandeza: la fachada del siglo XVIII (de Benedetto Alfieri) está coronada por gigantescas estatuas de los doce Apóstoles y del Redentor con sus respectivas atribuciones (siglo XIX). La iglesia tiene una planta de cruz latina con tres naves -una central principal y dos laterales menores- divididas en cinco tramos, cubiertas por bóvedas abovedadas y sostenidas por enormes pilares coronados por columnas de falso mármol. En el ábside hay una gran cúpula y un bello coro de madera; aún más notable es el monumental crucifijo románico (siglo X) de madera recubierto de lámina de plata en relieve en la parte frontal. La Catedral cuenta con un número considerable de capillas y altares secundarios, entre los que destacan la capilla del Beato Amedeo IX de Saboya y la capilla de la Virgen conocida como "dello schiaffo" (de la bofetada). El único elemento que se conserva de la antigua catedral es el imponente campanario románico construido en el siglo XII: tiene planta cuadrada, con una base de antiguos sillares y losas de piedra; horizontalmente está dividido en cuatro partes por hileras de arcos entrelazados y verticalmente en tres zonas por semicolumnas. La parte más reciente del campanario se caracteriza por una gran espadaña rodeada de tres arcos de medio punto a cada lado. Por último, es históricamente importante recordar la figura del nuncio papal monseñor Bonomi, obispo de Vercelli, que como intermediario del duque Emanuele Filiberto de Saboya entregó al cardenal Federico Borromeo, con ocasión de su primera peregrinación a Turín, la copia más antigua y prestigiosa de la Sábana Santa.