La Basilica Cattedrale di Fano si erge a poca distanza dalla porta romana denominata "Arco d'Augusto", su un lato della via che deriva il suo nome dall'insigne monumento romano.

In questo luogo doveva innalzarsi la cattedrale almeno dalla metà dell' VIII secolo, a tale periodo risale infatti la traslazione del corpo di San Fortunato dalla chiesa a lui titolata, sita lungo la via Flaminia.

Una lapide conservata nel presbiterio testimonia la storia successiva della chiesa: distrutta nell'incendio del 1124, fu nuovamente edificata nel periodo dell'episcopato del Vescovo Rainaldo (1135 c. - 1159); l'epigrafe ricorda inoltre un magister Rainerius per la sua attività di scultore e a lui si deve probabilmente la realizzazione dell'edificio.

La facciata tripartita, a struttura mista di laterizi e arenaria, è stata riportata alle sue forme originali romaniche dopo il restauro del 1928. La superficie è animata dai motivi decorativi degli archetti intrecciati; nella parte centrale risaltano le fasce di mattoni a forma di piccoli rombi poste sotto il timpano, la cornice del perduto rosone e il portale strombato (XII-XIII secolo), mentre nelle parti laterali si susseguono due logge cieche; quella di sinistra è decorata superiormente da coppe colorate che sostituiscono le originali disperse.

Il campanile sul lato sinistro dell'edificio fu costruito in luogo dell'originaria torre campanaria cilindrica, distrutta dalle mine dei tedeschi in ritirata nell'Agosto del 1944. Parte dell'antica torre è ancora visibile per circa due metri di altezza. Questo frammento di costruzione del diametro di circa dieci metri, secondo una recente ipotesi, doveva appartenere ad un antico battistero collegato alla chiesa cattedrale già dall'epoca della sua prima costruzione.

L'interno del Duomo, rivestito da uno spesso strato di intonaco, è a tre navate con cappelle laterali edificate a partire dal XIV secolo dalle nobili famiglie fanesi.

La seicentesca cappella Nolfi, la terza a destra, presenta una decorazione plastica eseguita su disegno di Girolamo Rainaldi (1617-1617) e un ciclo d'affreschi con le "Storie della Vergine" di Domenico Zampieri detto il Domenichino (1618-1619), mentre la pala d'altare con "L'Assunta e il Paradiso" fu realizzata dal pittore anconetano Andrea Lilli (1606). Si ricorda anche la cappella dei Santi Protettori, dove si conserva il dipinto di Ludovico Carracci rappresentante "La Vergine con i Santi Orso ed Eusebio" (1613).

In corrispondenza della quarta campata centrale trova collocazione un pulpito realizzato nel 1941 assemblando elementi moderni e lastre scolpite medioevali raffiguranti episodi dell'infanzia di Cristo, fregi figurati e leoni stilofori riferibili all'ambito culturale emiliano del XII secolo.

Queste sculture insieme al pannello ad altorilievo con "L'annuncio ai pastori", ora schienale della cattedra vescovile, dovevano essere elementi di un parapetto presbiteriale o appartenere a due amboni posti ai lati di una scala centrale di accesso al presbiterio sopraelevato.

Tra le pregevoli opere conservate all'interno si ricordano anche il dipinto dell'altare maggiore, opera del fanese Sebastiano Ceccarini, con "La Vergine Assunta" (della metà circa del XVIII secolo), la pala d'altare della prima cappella a destra, con "La conversione di San Paolo" di un artista anonimo del XVII secolo, ed alcuni interessanti reperti scultorei di epoca medievale e romana, utilizzati come elementi di arredo. L'antico sarcofago di San Fortunato (vescovo del sec. VI) funge oggi da altare maggiore, mentre un altro solo parzialmente conservato, detto sarcofago "del citarista" (XII secolo), è stato appoggiato davanti alla sepoltura del vescovo Vincenzo del Signore (cappella Sepolcro dei Vescovi).

Di epoca romana è invece una lastra ad altorilievo che presenta su un lato due maschere e nella parte anteriore un nobile personaggio in trono scolpito in epoca medioevale. Sono lastre romane reimpiegate in epoca medievale anche due pannelli del pulpito: uno reca sul retro una decorazione ad altorilievo con festone, bucranio e patera (pannello con "L'annunciazione e visitazione"), il secondo un'iscrizione dedicatoria agli Dei Mani (pannello con "L'adorazione dei Magi e il sogno di San Giuseppe"). Entrambi dovevano essere pertinenti ad un'ara votiva di epoca imperiale.

La presenza di queste sculture, insieme ad altre rappresentanti divinità, rinvenute nell'area dell'episcopio, fa ritenere il luogo destinato già in epoca romana ad una funzione sacra, quindi occupato da un tempio pagano.