Il reperimento di resti romani durante l'edificazione della facciata ottocentesca del duomo, testimoniano la presenza di un tempio romano già nel I secolo a.C., che fu poi trasformato in chiesa cristiana tra il IV e il V secolo, quando venne istituita la diocesi di Ivrea. Questa chiesa presentava una pianta basilicale tipica delle chiese paleocristiane. La decisione di ingrandire ed abbellire la struttura venne assunta dal vescovo Warmondo all’inizio del XI secolo. Della costruzione originaria si sono conservate alcune parti: l'abside, le due torri campanarie, il deambulatorio alle spalle del coro e la parte più antica della cripta. Tali strutture costituiscono una delle principali testimonianze dell'architettura romanica in Canavese. Nel corso della ricostruzione avvenuta nel XII secolo, la cattedrale cambiò profondamente la propria fisionomia, adottando una pianta assai più simile a quella odierna. Il presbiterio fu spostato all’estremità ovest della navata, mentre il portale d’accesso sul lato est. Si eseguì il rifacimento delle navate, fu creato un transetto ed edificato un tiburio sull'incrocio del transetto con la navata centrale. Tra il XIII ed il XV secolo si assistette ad ammodernamenti dell'apparato decorativo, come testimoniano gli affreschi visibili all'interno della cripta, lungo la scala di accesso al deambulatorio e nel deambulatorio stesso. Il vescovo Bonifacio Ferrero nel 1516 fece edificare una nuova facciata con un portico in stile bramantesco che sostituì l'antica facciata romanica. Nel 1854 la facciata venne nuovamente sostituita con l’attuale facciata neoclassica, eseguita dall’architetto Gaetano Bertolotti su modello palladiano, prolungando la navata di una campata. Le trasformazioni più profonde ebbero luogo verso la fine del Settecento, quando il vescovo Ottavio Pocchettini incaricò l'architetto Giuseppe Martinez di ristrutturare l'edificio in stile tardo barocco; tale intervento modificò dimensioni ed impostazione dell’edificio.