La cathédrale remonte en fait à la seconde moitié de l'an 1000 et a été construite sur les anciens vestiges de villages messapiens, romains et paléochrétiens. Il a également subi de nombreux assauts et a été détruit et reconstruit à plusieurs reprises. Un épisode avant tout est certainement l'invasion turque de 1480, au cours de laquelle l'une des pages les plus tristes a été écrite pour la ville : à l'intérieur de la cathédrale, en effet, les fidèles et les membres du clergé qui s'étaient réfugiés dans ces murs pour échapper à l'attaque ont été massacrés. Le site chrétien a été spolié et transformé en mosquée, et les trésors artistiques qu'il contenait ont été détruits, jusqu'à ce que l'église et toute la ville soient libérées par les Aragonais.
Pour ces raisons, la cathédrale présente un style original : la façade a une forme de pignon, avec une grande rosace centrale, enrichie d'un fin tracé gothique traversé par 16 rayons convergents ; il y a deux portails, un majeur de style baroque, escorté par deux colonnes soutenant l'architrave, et un inférieur ajouté plus tard et situé sur le côté gauche. Il s'agit d'éléments commandés par les différents archevêques qui se sont succédé à la tête du diocèse d'Otrante au fil des ans.
La structure a un plan basilical et son intérieur est un spectacle architectural et artistique. On remarque immédiatement la division classique en trois nefs, limitées par des rangées de cinq colonnes corinthiennes reliées entre elles par de larges arcs doublement lunaires. La nef et le chœur sont ornés d'un magnifique plafond lacunaire en bois avec des détails dorés. Les allées centrales sont enrichies par des peintures et six autels consacrés aux sacrements et aux symboles chrétiens.
Au bout de l'allée de droite se trouve l'un des souvenirs les plus émouvants de la cathédrale : la chapelle des martyrs. Cette partie de l'église est dédiée à la mémoire de l'extermination historique des martyrs d'Otrante, les 800 habitants chrétiens qui ont été massacrés par les Turcs en 1480 pour ne pas avoir voulu renoncer à leur foi. L'observation des vestiges exposés, des ossements et de la "pierre du martyre" sur laquelle les meurtres ont probablement été perpétrés, nous laisse absolument sans voix et nous ramène à la douleur que les guerres de religion provoquent encore aujourd'hui.
Le véritable joyau de l'intérieur de la cathédrale est la mosaïque du sol : une œuvre d'art d'une valeur absolue, d'une beauté stupéfiante et d'une grande importance. Le chef-d'œuvre, créé par le moine Pantaleone et achevé en 1164, représente en effet l'arbre de vie, ainsi que les passages relatés dans l'Ancien Testament, qui racontent le chemin que l'homme emprunte pour se détourner du péché et rechercher le salut éternel. Les "acteurs" de la mosaïque sont donc Adam et Eve, mais aussi d'autres personnages et de nombreux animaux, chacun ayant bien sûr sa propre charge symbolique. L'œuvre embellit la nef et le chœur de sa propre magnificence. Beaucoup plus ancienne, cependant, est la crypte, construite au 11ème siècle, qui est l'une des parties les plus intéressantes sur le plan architectural de toute la structure. C'est en fait la plus ancienne des cryptes des Pouilles, et son importance est également due à sa taille considérable. La conformation particulière de la crypte, divisée en cinq nefs et 72 colonnes et piliers, permet de conclure qu'il s'agit d'une sorte de miniature de la Mesquita de Cordoue et de la Mosquée bleue de Constantinople, une confirmation supplémentaire du mélange culturel dont Otranto a toujours été un protagoniste. Un mélange culturel, une rencontre de peuples, une combinaison de différents styles artistiques, dont témoigne, dans la chapelle souterraine, un autre élément important : l'incroyable diversité et hétérogénéité des 42 colonnes sur lesquelles elle est construite. Chacun d'entre eux, en effet, a sa propre qualité et origine de marbre et de granit, et différents chapiteaux de style ionique, corinthien, byzantin et islamique. En outre, la crypte est accessible par deux escaliers situés à l'intérieur de la cathédrale.