La cathédrale est édifiée en 1464 à l’emplacement d’une ancienne chapelle. Elle est située à l’aplomb de la falaise et englobe à sa base le rempart de la haute-ville de Vaison-la-Romaine.
Des pierres, récupérées dans les ruines de la chapelle Saint-Laurent du XIIème siècle, sont reconnaissables dans les parements à leur marque de tâcheron.
La cathédrale se compose d’une nef de quatre travées d’inégales longueurs, voûtées d’ogives, et d’un choeur pentagonal couvert d’une voûte d’ogives sexpartite.
Quatre chapelles latérales ouvrent à l’Est et à l’Ouest dans chaque travée de la nef. Une tribune supportée par un tambour est accolée au revers de la façade de style jésuite (1776).
Une sacristie, couverte d’une voûte en plein cintre, communique avec le choeur.
Le clocher de plan carré, daté de 1470, s’élève au-dessus de la troisième chapelle latérale Ouest.
Cet édifice, modifié au fil du temps, a été délaissé en 1897 lors de la reprise du culte dans la cathédrale romane Notre-Dame-de-Nazareth.
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