Agli inizi del XVII secolo, sulla spinta delle idee riformistiche, la chiesa fu ricostruita dall'architetto urbinate Muzio Oddi (1607-1617). A questa fase risale la pregevole decorazione interna con stucchi del ticinese Francesco Selva. Della fabbrica trecentesca, invece, la cattedrale conserva l'abside poligonale, il chiostro e la cappella di San Lorenzo affrescata da Allegretto Nuzi (1360 ca.). Il nuovo edificio fu consacrato nel 1663.
Con l'elevazione della città a diocesi, nel 1728, la chiesa fu elevata al rango di cattedrale.
La chiesa cattedrale di Fabriano è situata nell'omonima piazza, nella parte alta della città.
La facciata della chiesa, che ha una struttura a salienti, è in mattoncini; la parte centrale, molto più ampia e più alta delle due parti laterali, è suddivisa in due fasce sovrapposte da un cornicione marmoreo scolpito ed, in alto, termina con un frontone privo di decorazioni. Al centro della fascia superiore, un finestrone ad arco; in quella inferiore, invece, tre portali, dei quali quello centrale con timpano triangolare sorretto da due semicolonne. La facciata è decorata con lesene doriche nella fascia inferiore, ioniche in quella superiore.
L'interno della cattedrale è a croce latina con navata unica in cui si aprono dieci cappelle laterali a pianta rettangolare coperte con volta a botte cassettonata, cinque per ogni lato. Queste furono realizzate nell'ambito dei restauri della prima metà del XVII secolo ed ogni cappella ha un proprio altare ed è delimitata da una balaustra marmorea. La navata è illuminata da grandi finestroni rettangolari ed è coperta con volta a vela. Nei due bracci del transetto sono state ricavate due cappelle, dedicate una a San Giovanni Battista (transetto di destra), l'altra al Santissimo Sacramento (transetto di sinistra), entrambe decorate con affreschi di Giuseppe Bastiani.
Il presbiterio si sviluppa all'interno della profonda abside, ed è sopraelevato di alcuni gradini rispetto al pavimento della navata. Al centro, si trova l'altare maggiore con paliotto costituito da decorazioni geometriche in marmi policromi. Alle sue spalle si trova un antico crocifisso. Lungo il perimetro dell'abside si trovano gli stalli lignei del coro e, sulla destra, la cattedra vescovile.
