La sua è una storia molto complessa ed articolata che passa attraverso diverse fasi architettoniche, per cui è possibile tentarne una ricostruzione solo attraverso lo studio delle diverse parti. L'edificio fu ricostruito intorno alla fine del Duecento, con molta probabilità nel 1285, sopra una chiesa del IX-X secolo, sorta a sua volta su un edificio termale romano. Ancora oggi, al di sotto della chiesa si trova una grande cisterna romana quadrata risalente alla prima metà del III secolo a.C. Essa risulta divisa in cinque navate da quattro file di pilastri quadrati e rettangolari in laterizio sui quali poggiano le volte a crociera della copertura. I pilastri non sono però originari ma aggiunti in età imperiale per esigenze formali, in sostegno dell'edificio che venne costruito su di essa. Dal medioevo all'età moderna alcuni pilastri sono stati nuovamente modificati con aggiunte di murature di consolidamento. Il pavimento attuale è stato anch'esso aggiunto ad un pavimento preesistente ed è costituito da malta e ciottoli e delimitato da cordoli agli angoli e alle giunture dei muri che servivano a contenere la pressione dell'acqua. Due bocche sul lato occidentale permettevano l'immissione dell'acqua. Nel II secolo d.C. al di sopra della cisterna venne costruito un edificio termale, che trova il suo fondamento nei pilastri sottostanti ed è articolato in due sale, una delle quali contenente una vasca esagonale. Di questa costruzione restano tracce di pavimento a mosaico in tessere bianche e nere raffiguranti pesci ed animali marini. L'uso di questa struttura non è mai stato interrotto come documentano i lavori di integrazione del mosaico con mattoni. Si può supporre che in età altomedievale venne realizzato su di essa un edificio di culto al cui interno la vasca assunse la funzione di fonte battesimale seppure in un'insolita posizione, vicino al presbiterio. Questo nuovo organismo inglobò e sfruttò le strutture romane ancora esistenti attraverso opere di restauro e rifacimento. A sostegno di quest'ipotesi restano numerose tracce come i piani di calpestio, resti di tombe altomedievali nell'area del chiostro, frammenti di scultura della stessa epoca, oggi conservati presso il Museo Diocesano, ed un'antica tradizione ariana che indica la cisterna romana con il nome di "Santa Maria Vecchia" che era il nome di un antico luogo di culto. Per tutto il medioevo essa venne utilizzata come luogo di celebrazione delle funzioni, come cripta annessa alla chiesa sovrastante alla quale era collegata mediante una scala realizzata in epoca imprecisata ed oggi non più esistente. Da un documento del XV secolo si può dedurre che essa veniva sfruttata come cimitero dei canonici; la presenza ancora all'inizio del Novecento di un piccolo vano, realizzato mediante la costruzione di due muretti, fa supporre l'esistenza di un ossario. Al suo interno sono ancora conservati affreschi a tema religioso realizzati tra il XIV e il XV secolo. Una serie di documenti, bolle pontificie e rescritti imperiali, compresi tra il 1140 e il 1221, fanno riferimento ad una "Sancta Maria de Atria cum omnibus cappelli et pertinentiis suis", che quindi precede la costruzione romanica. Il Gavini (Gavini, 1980) avanza un'ipotesi su questa costruzione. Nel corso del XI secolo venne edificata una grande chiesa benedettina, a tre navate, portata a termine nei secoli successivi. Ampi tratti di muraglia di quell'epoca restano oggi nella parte posteriore della chiesa ed indicano quanto grandioso fosse il progetto che prevedeva una struttura a tre navate senza transetto né absidi. Si tratta di un'opera mista di mattoni e pietra concia su cui si aprono un portale e quattro finestre, che presenta caratteri stilistici vicini quelli di San Liberatore a Maiella, tra cui spicca il motivo delle palmette a pannocchia, tipico della scuola liberatoriana. Si può concludere che la fondazione della chiesa è legata alle maestranze discendenti da San Liberatore e limitata alla muraglia presbiteriale e alla cripta sottostante. Alla stessa epoca risale il monastero costruito dietro la chiesa di cui si conserva il chiostro, che è il più antico della regione. La costruzione avviata prima del 1100 fu ripresa e completata assai lentamente nel corso del XII e XIII secolo come dimostrano caratteri architettonici e stilistici appartenenti a tradizioni e scuole esistenti in Abruzzo in quei secoli. Particolarmente evidente è l'influenza dell'architettura borgognona che sulla fine del XII secolo trovava espressione nell'abbazia di San Giovanni in Venere. A concorrere alla grande opera intervennero anche le maestranze di Casauria che hanno lasciato la loro firma nella eleganza delle decorazioni e nei bellissimi capitelli a foglie di palma seppure il loro intervento fu limitato alla costruzione della tribuna dell'ultima campata della navata principale. I due stili, quello borgognone e quello casauriense, si avvicendano e si alternano nella zona presbiteriale senza mai confondersi o mescolarsi e mantenendo distinti i loro rispettivi caratteri. Su questo organismo venne, con molta probabilità, riedificata la chiesa romanica, come testimoniano la consacrazione del 1223 e l'innalzamento a diocesi nel 1252. Sulle vicende di costruzione del nuovo organismo sono state formulate varie ipotesi. Secondo l'ipotesi proposta dal Bozzoni (Bozzoni, C., 1979), uno dei più autorevoli studiosi di questo monumento, la nuova costruzione avrebbe inglobato quella benedettina, conservandone solo gli archivolti e gli stipiti riutilizzati come aperture della cisterna già convertita in luogo di culto. La nuova chiesa doveva essere a tre navate con transetto, cinque absidi e campanile isolato rispetto all'organismo principale. Secondo lo storico durante i restauri novecenteschi sono stati rinvenuti di questa costruzione resti dell'abside principale e delle due laterali, un pilastro e due semipilastri. Questa ipotesi prevede un'altra decisiva opera di trasformazione realizzata nella seconda metà del XIII secolo, alla quale si deve la configurazione attuale. In quell'occasione la chiesa sarebbe stata allargata fino al limite attuale mentre la facciata sarebbe stata completata all'inizio del XIV secolo. Il Matthiae (Matthiae G., 1961), che è stato l'artefice dei restauri novecenteschi, sostiene che la chiesa del XII secolo fosse articolata in cinque navate con copertura lignea a capriate e che nel corso della seconda metà del XIII secolo sia stata ingrandita attraverso un raddoppiamento della campate ed una riduzione dei sostegni e opere di rinforzo ai pilastri restanti. Francesco Aceto, più recentemente, fa alla ricostruzione proposta dal Matthiae una correzione anticipando l'opera di ampliamento della chiesa alla prima metà del XIII secolo. Dal XIII al XIV secolo la chiesa fu oggetto di importanti opere di ingrandimento che videro raddoppiarsi la sua lunghezza. A cavallo tra i due secoli sono ascrivibili sia il portale sulla facciata sia quelli laterali. L'esistenza di alcuni resti di una cornice ad archetti, situati in alto sul fondo della navata destra, testimonianza di un primitivo e più basso tetto, fa supporre l'innalzamento dell'edificio in epoca gotica. Sulla tipologia della copertura del nuovo organismo non si hanno certezze né testimonianze; poteva trattarsi di una copertura a capriate lignee sul modello di quella precedente ma più alta oppure di una copertura a volta. A quest'epoca risalgono importanti interventi di consolidamento come i rinforzi ottogonali dei pilastri o la costruzione di muri di rinforzo per i pilastri della cisterna che non riuscivano a sostenere il peso del nuovo edificio. Anche il chiostro segue le vicende costruttive della chiesa. L'intera costruzione è realizzata in blocchi squadrati di pietra, arenaria e puddinga e con il riutilizzo di qualche frammento antico. La facciata a blocchi squadrati risulta divisa verticalmente in tre parti da quattro lesene, due delle quali poste sugli spigoli, le altre due incorniciano il portale e il rosone. La terminazione non è quella originaria a cuspide che deve essere caduta a causa del terremoto del 1563. Oggi essa si presenta rettilinea delimitata orizzontalmente da una cornice ad archetti pensili trilobati. Al centro sono il portale e il rosone contenuti in una sottile ed elegante cornice a timpano. Il portale, datato 1305, fu realizzato da Rainaldo d'Atri. Il prospetto posteriore confina con il chiostro perciò non è visibile dall'esterno. Esso è costituito per la metà inferiore da blocchi in pietra e per l'altra metà da mattoni. Il lato meridionale presenta ben tre portali, di cui uno attribuito a Rainaldo d'Atri nel 1305 e gli altri due realizzati da Raimondo de Poggio tra il 1288 e il 1302. Essi presentano la stessa configurazione architettonica costituita da un arco a tutto sesto a sua volta contenuto in un timpano triangolare. Tutta la parete è scandita da dieci lesene e da otto strette finestre con arco a tutto sesto. La parte finale di questo lato confina con la chiesa di Santa Reparata, sorta inizialmente come cappella e in seguito trasformata in chiesa. Il lato settentrionale, anch'esso scandito da lesene, verso la parte finale è coperto dalla sacrestia ed altri edifici realizzati dal XVI secolo in poi ed è interrotto dal campanile che risulta staccato dalla parete. Quest'ultimo è un organismo quadrato molto alto e slanciato costituito anch'esso da blocchi squadrati in pietra e ritmato da cornici marcapiano in cotto. In alto termina in un tamburo ottagonale, culminante in una piramide, che presenta ad un primo livello delle bifore su ogni lato e ad un secondo livello delle aperture tonde incorniciate da tasselli in vetro e maiolica. Il tamburo ottogonale con cuspide è tipico dell'area teramana e fu realizzato nel 1502 da Antonio da Lodi. Il chiostro, adiacente al lato posteriore della chiesa, è per tre lati costituito da due piani con doppio loggiato realizzati in epoche diverse. Il lato mancante di loggiato presentava in origine un porticato, in seguito assorbito dal chiostro, dal quale si accedeva alla cisterna romana già riconvertita in luogo di culto. La cattedrale si trova in leggera pendenza in linea con il colle su cui è stata edificata. Questo si riflette nel dislivello tra la piazza e l'interno della chiesa alla quale si accede scendendo alcuni gradini. Lo spazio interno è suddiviso in tre navate da pilastri di diversa forma, quelli della prima metà sono rettangolari con semicolonne addossate, quelli della seconda metà sono rivestiti da un rinforzo ottagonale. Su di essi poggiano gli archi a sesto acuto che definiscono le campate. Anche queste ultime si diversificano in due tipologie; le prime quattro sono piccole e a pianta rettangolare, quelle verso il presbiterio sono ampie e a pianta quadrata. Queste differenze sono espressione di due fasi diverse di intervento. Uniche aperture che gettano luce sulle navate sono due monofore ad arco interno trilobato. La copertura attuale è costituita da un soffitto a capriate lignee che è stato ripristinato nel Novecento mediante eliminazione della copertura a volta di origine ottocentesca. La zona presbiteriale è chiusa da una parete rettilinea ed è illuminata da un'unica apertura sferica dopo che è stata chiusa la monofora sottostante per dare continuità al ciclo pittorico. La principale opera pittorica è il ciclo di affreschi quattrocenteschi attribuito ad Andrea De Litio e raffigurante scene del Nuovo Testamento con particolare riferimento alla vita della Vergine. Altri affreschi sono presenti sui pilastri delle navate, essi risalgono al XV secolo e raffigurano Santi e Martiri. Una scena raffigurante una danza macabra è dipinta sul muro di fondo della navata sinistra. La chiesa contiene anche molte opere scultoree come l'acquasantiera che si trova a destra dell'ingresso, molto originale per la figura femminile, una popolana, che sostiene la vasca dell'acqua. La scultura, datata alla fine del XV secolo, era stata concepita per una fontana pubblica e poi trasferita in chiesa. Di epoca romanica è la conca con quattro leoncini a bassorilievo collocata all'interno del fonte battesimale, posto al di sotto di un tabernacolo nella prima campata della navata sinistra. Durante i lavori di restauro nel corso del Novecento sono stati rinvenuti diversi strati di pavimentazione nella zona presbiteriale. Al di sotto di quella seicentesca è stato rinvenuto un pavimento in cotto a sua volta costruito su un pavimento in mosaico romano che copriva la zona corrispondente alla navata centrale. Questo, datato al II secolo d. C., dovette appartenere all'impianto termale romano come rivela anche il soggetto prevalentemente marino. Oggi questi resti antichi sono in mostra al di sotto di una pavimentazione trasparente.

Ingresso principale presente da Piazza Duomo attraverso una scalinata. Ingresso sul sagrato presente su Corso Elio Adriano che permette l'accesso ai disabili tramite ascensore.