L'attuale cattedrale di san Donato sorge nel medesimo luogo di una chiesa più antica, costruita nel X secolo da Olderico Manfredi II, marchese di Torino e di Susa. Di questa, si fa menzione una prima volta in un documento del 1044, che registra l'istituzione di un capitolo il giorno 14 marzo dello stesso anno.
A partire dalla fine del XIV secolo, la chiesa venne interamente ricostruita e, nell'ambito di questo intervento, nel 1425, venne edificato il campanile, mai portato a compimento, che nel medioevo svolse la funzione di torre civica. Nel 1508 la nuova chiesa fu terminata e consacrata da Baldassarre Bernezzo, arcivescovo titolare di Laodicea di Siria.
Nel 1748, papa Benedetto XIV eresse la diocesi di Pinerolo e la chiesa di san Donato fu elevata a cattedrale. Tra il 1766 e il 1778 la cattedrale fu oggetto di un intervento di restauro in stile barocco; in questa occasione, fra le altre cose, furono realizzati l'altare maggiore e la pavimentazione interna.