La catedral dedicada a S. Lorenzo fue construida en el siglo XII en estilo románico, en el sitio de una antigua iglesia parroquial cuyos registros datan del 850. En 1181 fue reconocida como la iglesia principal de Viterbo y Tuscia por el Papa Alejandro III (1159-1181), sólo unos años después de la concesión oficial de la silla de obispo.
A partir de mediados del siglo XIII la catedral adquirió aún más importancia: la presencia de los papas en Viterbo, que residían en el famoso palacio papal, hizo de la catedral el escenario de acontecimientos religiosos y políticos de gran clamor, como la excomunión de Corradino de Suabia y la coronación de siete papas. El templo se erigió según la tipología basilical habitual con tres naves y se concluyó con otros tantos ábsides (el central muy emergente en comparación con los laterales); a esta disposición, de clara matriz románica, se añadió en 1192 el crucero, de menor altura que la nave central. El espacio interior, armonioso y monumental, estaba y sigue estando marcado por dos hileras de arcos sostenidos por columnas con capiteles de peperino finamente tallados.
Estos últimos son un valioso producto desarrollado por los trabajadores locales, que se vieron influidos por las lecciones de los maestros nórdicos presentes en Viterbo desde finales del siglo XI. El campanario se construyó a finales del siglo XIII en un estilo netamente gótico; marcado por cuatro órdenes de ventanas gemelas ajimezadas, fue influenciado por el efecto de la piedra bicolor de los cimientos de la iglesia toscana (la cúspide se añadió a mediados del siglo XV). Sin embargo, la primitiva disposición de la catedral fue profundamente alterada por las intervenciones que tuvieron lugar varias veces a lo largo del tiempo, que borraron en parte la aguda escorzo de las líneas románicas y destruyeron completamente la fachada original adornada con tres rosetones hábilmente perforados (uno de ellos se ha vuelto a montar en el lado derecho de la iglesia y otro se ha reconstruido en una pared del palacio episcopal). La actual fachada, aligerada por tres óculos dispuestos simétricamente, es el resultado de la reconstrucción total realizada en 1570. En el interior de la catedral hay pinturas interesantes, como los frescos de la zona del ábside, que datan de finales del siglo XIII, los del siglo XIV que aún se conservan a la izquierda de la entrada y los fragmentos que califican la parte superior de la entrada al baptisterio. Por último, el panel con la llamada Madonna della Carbonara, que data del siglo XII; la espléndida pila bautismal de mármol de Carrara realizada a finales del siglo XV por Francesco d'Ancona; el sarcófago del Papa Juan XXI (1276-1277), único pontífice portugués, recordado también por Dante en el Paraíso; el valioso lienzo del altar mayor con la representación de San Lorenzo, realizado por Giovan Francesco Romanelli en la primera mitad del siglo XVIII, y los diez paneles que adornan las paredes de la nave.