Katedra w Palermo to kompleks architektoniczny charakteryzujący się obecnością różnych stylów, ze względu na długą historię dodatków, przeróbek i restauracji, z których ostatnia miała miejsce w XVIII wieku.

Kościół został wzniesiony w 1185 roku przez Waltera Ophamila (lub Waltera z Młyna), anglo-normańskiego arcybiskupa Palermo i ministra króla Wilhelma II, na terenie wcześniejszej bazyliki bizantyjskiej. Pod wszystkimi względami ten wcześniejszy kościół został założony przez św. Grzegorza, a Saraceni przekształcili go później w meczet po zdobyciu miasta w IX wieku. Ophamil jest pochowany w sarkofagu w krypcie kościoła. Średniowieczny gmach miał plan bazyliki z trzema absydami, z których przetrwały tylko niektóre pomniejsze elementy architektoniczne.
Górne rzędy wież narożnych powstały między XIV a XV wiekiem, podczas gdy w okresie wczesnego renesansu dodano ganek południowy. Obecny wygląd neoklasyczny pochodzi z prac prowadzonych przez dwie dekady 1781–1801 i nadzorowany przez Ferdinando Fugę. W tym okresie zniszczono wielki retable Gaginiego, ozdobiony rzeźbami, fryzami i płaskorzeźbami, a rzeźby przeniesiono do różnych części bazyliki. Również Fuga to wielka kopuła wyłaniająca się z głównego korpusu budynku i mniejsze kopuły pokrywające stropy naw bocznych.
Główna fasada znajduje się po zachodniej stronie, przy obecnej Via Bonello i ma wygląd ustawiony w XIV i XV wieku. Jest otoczony przez dwie wieże i ma gotycki portal zwieńczony niszą z cenną XV-wieczną Madonną. Dwie przepuszczone ostrołukowe arkady, przechodzące przez ulicę, łączą fasadę z dzwonnicą z przodu, przylegającą do Pałacu Arcybiskupów. Ma kwadratowy wygląd zdobiony w górnej części delikatną koronką mniejszych dzwonnic i małych arkad.
Prawa strona ma rozciągające się wieżyczki i szeroki portyk (obecne wejście) w stylu gotycko-katalońskim, z trzema arkadami, wzniesionymi około 1465 roku i otwierającymi się na plac. Pierwsza kolumna po lewej stronie należała do pierwotnej bazyliki i kolejnego meczetu, o czym świadczy wyryty na niej werset Koranu. Rzeźbiony portal tego wejścia został wykonany w latach 1426-1430 przez Antonio Gambara, a wspaniałe drewniane liście są autorstwa Francesco Mirandy (1432). Mozaika przedstawiająca Madonnę pochodzi z XIII wieku, podczas gdy dwa pomniki na murach, dzieła z początku XVIII wieku, przedstawiają króla Karola III Burbona i Victora Amadeusza II z Sardynii, z których ten drugi został tutaj koronowany wraz z żoną Anną Marie d'Orléans w grudniu 1713 r.
Obszar apsydy, otoczony wieżyczkami i wspaniale zdobiony ścianami zewnętrznymi, jest częścią oryginalnego budynku z XII wieku, podczas gdy bardziej nowoczesna część kościoła to lewa strona strona, na której znajduje się portal Antonello Gaginiego z początku XVI wieku. Południowo-zachodnia fasada, patrząc na Pałac Arcybiskupa, pochodzi z XIV-XV wieku.
Wnętrze ma plan krzyża łacińskiego, z nawą i dwoma nawami podzielonymi pilastrami. W pierwszych dwóch kaplicach prawej nawy grób cesarzy i postaci królewskich przeniesiono tu w XVIII wieku z pierwotnych miejsc (głównie z samej bazyliki). Oto szczątki cesarza Henryka VI, jego syna Fryderyka II, a także Piotra II z Sycylii. Rzymski sarkofag jest grobowcem Konstancji Aragońskiej, żony Fryderyka. Pod mozaikowymi baldachimami znajdują się groby Rogera II, pierwszego króla Sycylii i jego córki Konstancji. Dwa ostatnie znajdowały się kiedyś w transepcie katedry w Cefalu.
Kaplica sakramentalna, na końcu naw bocznych, ozdobiona jest kamieniami szlachetnymi i lapislazuli. Po prawej stronie, w prezbiterium, znajduje się kaplica św. Rozalii, patrona Palermo, zamknięta bogato ozdobną bramą z brązu, z relikwiami i XVII-wieczną srebrną urną, która jest przedmiotem szczególnego oddania.
Cenny jest także drewniany chór w stylu gotycko-katalońskim z 1466 r. oraz marmurowe pozostałości retabli Gaginiego (usunięte w XVIII-wiecznych przebudowach), a także marmurowy posąg Madonny z Dzieciątkiem Francesco Laurany i uczniów (1469 ), XIII-wieczny krucyfiks Manfredi Chiaramonte, woda święcona na czwartym pilastrze (autorstwa Domenico Gaginiego) i Madonna della Scala Antonello Gaginiego, na ołtarzu głównym nowej zakrystii. W kaplicy relikwii znajdują się relikwie św. Christiny, św. Ninfy, św. Kosmy, św. Agaty i św. Mamiliana, pierwszego patrona Palermo