La Cattedrale è dedicata a san Leopardo, primo vescovo della città (V sec.). Si tratta di una costruzione in conci di pietra eretta nel VIII secolo, dove un tempo sorgeva il Campidoglio e il tempio pagano dedicato a Esculapio e Igea. Documentato storicamente è invece l'ampliamento della chiesa (da una a tre navate) ad opera del vescovo Gentile (fine XII secolo - inizio XIII secolo), che edificò anche l'attuale presbiterio, la cripta, l'abside e il protiro. Alla fine del XIII secolo, un altro vescovo, Giovanni Uguccione, modificò la struttura della chiesa introducendo elementi gotici tra cui un'altra campata verso est. Altri interventi di ampliamento e ristrutturazione furono eseguiti nei secoli successivi, e in particolare si ricordano: le volte interne (fine XV secolo), lo scalone di accesso alla tribuna (seconda metà del XVI secolo), il nuovo pavimento e gli altari laterali nel XVII secolo, nonché l'intonacatura completa delle pareti interne.
Portali del Duomo
Esterno
L'attuale facciata è stata adattata alla fine del 1500. Nel portico, a tre arcate a tutto sesto poste sopra due colonne, si trovano due portali d’ingresso di notevole importanza dal punto di vista architettonico.
Il portale di sinistra presenta una decorazione costituita da tre archi a tutto sesto. Quello più esterno è decorato da un tralcio di vite, sorretto da due figure sedute a gambe incrociate. L’iconografia più ricca la si trova nell'arco mediano: vi si ammirano sei santi ed angeli orientati verso il centro dove è raffigurato l’Agnello. Dal basso a sinistra, Santa Tecla martire e San Leopardo con la pisside in mano, San Pietro con la chiave, l’Arcangelo Gabriele e due Angeli con turibolo: a destra dall'alto, San Giovanni Battista con la scritta “Agnus Dei”, Giuda figlio di Giacobbe, Isacco con relative citazioni bibliche ed il vescovo Gentile. Alla base delle colonne, due leoni e negli stipiti di destra e di sinistra, vari elementi scultorei.
A sinistra del portale principale si trova la finestra con interessante doppio archivolto, decorato a bassorilievo da foglie di acanto, qui trasferita dalla parete est quando l’orientamento della chiesa fu invertito nel 1589 dal vescovo Teodosio Fiorenzi (1588-1591).
Rosone
Al centro della testata del transetto è situato il rosone che presenta tutt'intorno una corona di figure simboliche di varia grandezza raffiguranti teste umane e corpi di animali (tra cui leoni, aquile e capre).
Nel portale di destra sono presenti due lunghi serpenti con le code attorcigliate alla base e le bocche arrossate aperte che addentano un pomo in porfido, simbolo del peccato originale. A sinistra si trova il bassorilievo di Re Salomone con in mano il vaso sigillato contenenti, secondo la leggenda, i 72 demoni che lo aiutarono nel governo e nell'edificazione del tempio; a destra quello di Re Davide con il turibolo in mano nell'intento di incensare e purificare il visitatore.
Sulla parete di destra fu trasferito dal Mastro Filippo, l’architrave con le dieci figure degli Apostoli; lo scultore vi aggiunse la lunetta con la Vergine e il Bambino, Santa Tecla che offre la chiesa e San Giovanni evangelista con l’aquila.
A destra della facciata principale, attraversato l’androne, si giunge al cortile interno, con l’attuale ingresso principale della cattedrale.
A sinistra della facciata principale, può essere suddivisa in tre parti: il muro di blocchi di pietra calcarea, il settore a paramento liscio con la serie di finestre che danno luce alla cripta e al transetto.
La parete nord, solo in parte visibile dalla sottostante Via Giulia, ripete lo schema architettonico della facciata sud: in alto un antico occhio corrispondente al rosone è stato sostituito da una finestra quadra tamponata alla fine del XIX secolo. Più in basso tre finestrelle danno luce alla cripta.
Interno
La chiesa, la cui pianta è a croce latina a T, è oggi orientata da est a ovest, divisa in tre navate e con l'altare maggiore a occidente. La bussola lignea che introduce alla basilica è opera del cardinale Giovanni Soglia Ceroni, come mostra il suo stemma posto in alto. Tra le colonne, è presente una serie di lampadari in ferro battuto del XX secolo. L’altare di marmo policromo fu opera del vescovo Egidio Mauri (1888-1893).
Sul fondo è posto il monumento funebre in marmo del cardinale Antonio Bichi (1656-1691) mentre nella parete destra si nota la porta tamponata che conduceva all'antica piccola sacrestia. A questa parete sono appese due delle quattro grandi tele di Gian Domenico Lombardi dell’inizio del XVIII secolo che rappresentano rispettivamente san Benvenuto e san Leopardo. In quest’ultima, l’angelo di sinistra regge un vassoio contenente il plastico urbano di Osimo, ad evidenziare lo stretto legame del primo vescovo con la città.
