La chiesa, il cui anno di fondazione si fa tradizionalmente risalire al 1004, fu edificata, secondo alcuni storici, su un precedente tempio etrusco consacrato a Giove, poi trasformato in una basilica paleocristiana dedicata a San Giovenale, primo vescovo di Narni, forse vissuto nel IV secolo, il cui culto era diffuso in epoca alto medievale. L'effigie del Santo è scolpita in pietra nella lunetta del portale sulla fiancata laterale (1497), frutto di un prolungamento in stile gotico avvenuto nel Trecento, quando fu demolita l'abside semicircolare originaria per costruire quella quadrata che ancora oggi si può ammirare. L'edificio, di antica e sobria suggestione, presenta elementi di notevole interesse: la spettacolare posizione strategica all'estremo lembo occidentale della città, che coincide con il versante in cui ha cominciato a svilupparsi la cittadella medievale; la semplice e lineare facciata, con il portale a tutto sesto e il rosone scavato nel tufo, la linea di copertura del protiro romanico e il decoro ad arcatelle cieche; la presenza della torre munita proprio sul lato frontale, che la configura come chiesa-fortezza; infine la sua importanza storica, in quanto voluta dalle più importanti famiglie orvietane dell'epoca: i Monaldeschi, i Montanari, i Salvani, i Ranaldini, i Conti, i Rossi e i Marsciano, tutti abitanti nel rione dell'Olmo. Se una tradizione popolare la indicava come il primo Duomo di Orvieto, ipotesi che tuttavia non ha riscontri, San Giovenale svolgeva, in ogni caso, un ruolo centrale, dovuto alla ricca priorìa, all'ospedale, al fonte battesimale, agli orti e alle chiese assoggettate (Crocifisso del Tufo, San Lorenzo in Vineis e Trinità). La visita all'interno di San Giovenale riserva altre piacevoli sorprese: la sobrietà delle forme e l'austerità della struttura basilicale a tre navate; la varietà dei reperti che ne attestano la remota origine, come quelli che compongono l'altare datato 1171; e, soprattutto, lo stupefacente campionario di pittura orvietana che si dispiega dal XIII al XV secolo, restaurato in fasi diverse con vari interventi conservativi. Nella controfacciata, a sinistra del portale, spicca un'inconsueta rappresentazione del Paradiso, di cui si trovano tracce nell'arte ebraica: legata ai temi della Vita eterna e sotto forma di Arbor vitae, simbolizza il Cosmo, l'Uomo, Cristo, la Croce, la Resurrezione; l'opera è attribuibile a un pittore itinerante degli inizi del secolo XIV, della cerchia dei miniatori perugini. Gli affreschi della navata destra (XII secolo) sono in gran parte dedicati alla Madonna (Annunciazione, Visitazione, Santo vescovo), e ancora sul pilastro sinistro si può ammirare un'Annunciazione, forse dovuta ad Andrea di Giovanni. L'opera più nota è una Maestà (XV), generalmente conosciuta come "Madonna del Soccorso", donata nel XVI secolo dalla famiglia Ghezzi e rinvenuta, nel secolo XX, sotto una lastra d'argento che la nascondeva; rappresenta, con ogni probabilità, la copia di un'icona bizantina, dal momento che sia il fondo, sia il tratteggio del manto azzurro, sono in oro. Uscendo dalla porta minore, che costituisce l'ingresso abituale alla chiesa, si può osservare il bel portale rinascimentale con la lunetta a conchiglia in cui è inserita la già citata figura di San Giovenale, benedicente con mitra, calice e pastorale.