Die ebenfalls majestätische Kathedrale ist dem Heiligen Eusebius gewidmet, dem ersten Bischof von Piemont und Schutzpatron der Stadt. Die heutige Kathedralkirche des Heiligen Eusebius von Vercelli wurde 1570 auf Veranlassung von Kardinal Guido Ferrero auf der bereits bestehenden frühchristlichen Basilika neu errichtet. Die Entdeckung des Leichnams des Heiligen, der noch immer in der Kathedrale aufbewahrt wird, geht auf das Jahr 1581 zurück. Das heutige Bauwerk stammt mit der Apsis aus dem 16. Jahrhundert, mit den Schiffen und dem Querschiff aus dem 18. Jahrhundert und mit der Kuppel aus dem 19. Die Restaurierungsarbeiten begannen Mitte des 20. Jahrhunderts und fanden ihren Höhepunkt in den umfangreichen Renovierungsarbeiten, die 2009 unter der Leitung von Erzbischof Enrico Masseroni begonnen und 2012 abgeschlossen wurden. Von außen fällt das Gebäude durch seine Erhabenheit auf: Die Fassade aus dem 18. Jahrhundert (von Benedetto Alfieri) wird von riesigen Statuen der zwölf Apostel und des Erlösers mit den entsprechenden Attributen (19. Jahrhundert) überragt. Die Kirche hat einen Grundriss in Form eines lateinischen Kreuzes mit drei Schiffen - einem Hauptschiff und zwei kleineren Seitenschiffen -, die in fünf Joche unterteilt sind, die von Kuppelgewölben bedeckt sind und von massiven Pfeilern getragen werden, die von Säulen aus Kunstmarmor überragt werden. In der Apsis befinden sich eine große Kuppel und ein schöner hölzerner Chor; noch bemerkenswerter ist das monumentale romanische Kruzifix (10. Jh.) aus Holz, das auf der Vorderseite mit Silberfolie überzogen ist. Die Kathedrale verfügt über zahlreiche Kapellen und Nebenaltäre, darunter die Kapelle des seligen Amedeo IX. von Savoyen und die Kapelle der Madonna dello schiaffo" (des Schlages). Das einzige erhaltene Element der alten Kathedrale ist der imposante romanische Glockenturm aus dem 12. Jahrhundert: Er hat einen quadratischen Grundriss mit einem Sockel aus alten Quadersteinen und Steinplatten; horizontal ist er durch Reihen von ineinander verschlungenen Bögen in vier Teile und vertikal durch Halbsäulen in drei Zonen unterteilt. Der jüngste Teil des Glockenturms zeichnet sich durch einen großen Glockenturm aus, der auf jeder Seite von drei Rundbögen umgeben ist. Schließlich ist es historisch wichtig, an die Figur des päpstlichen Nuntius Monsignore Bonomi, Bischof von Vercelli, zu erinnern, der als Vermittler des Herzogs Emanuele Filiberto von Savoyen dem Kardinal Federico Borromeo anlässlich seiner ersten Pilgerreise nach Turin die älteste und wertvollste Kopie des Grabtuchs übergab.
