La costruzione risale al 1046. Nelle fondamenta di quello che sarà nel 1435 un muro tra il chiostro e il muro laterale della chiesa, furono seppelliti i corpi dei dieci Chiavelli (adulti e bambini ) trucidati all'interno della chiesa durante la messa dell'Ascensione (26 maggio 1435 ). La collegiata di S. Venanzo fu eretta a Cattedrale nel 1728 e a Basilica nel 1963, sotto il pontificato di Giovanni XXIII. Dell'antica forma conserva, esternamente, solo l'abside poligonale. Internamente ha una pianta a croce latina con un'unica navata e cappelline laterali. La cappella di San Lorenzo è sata affrescata da Allegretto di Nuzio (1360 ca.) Altri affreschi di scuola fabrianese del XIV e XV secolo sono visibili in altri ambienti della chiesa. Importanti sono i resti delle Storie della Croce commissionate al folignate Giovanni di Corraduccio (1415). La Cattedrale è un importante "museo" di dipinti manieristi e barocchi. Tra le opere più importanti troviamo le tele di Gregorio Preti, di Salvator Rosa, Giovan Francesco Guerrieri, Giuseppe Puglia e altri. Il celebre pittore caravaggesco, Orazio Gentileschi, è l'autore delle preziose storie della Passione e della mirabile Crocifissione su tela (1620 ca).