Il Duomo ha la forma di una croce con tre navate e cappelle ai lati. È lunga circa 70 metri e contiene molte opere d'arte tra cui altari in marmo, sculture e affreschi. L'interno della chiesa è in stile barocco. La parte più antica è stata costruita nel 1335, mentre nel 1700 sono stati fatti importanti cambiamenti, sia all'interno che all'esterno.
Il portale principale ha sopra una scultura del Trecento che mostra la crocifissione. Importanti sono i dipinti dello Sposalizio della Vergine e del Transito di San Giuseppe di Matteo da Verona.
Il presbiterio è arricchito da sculture di Giuseppe Torretti e affreschi di Ludovico Dorigny.Sopra l'altare principale c'è un dipinto di Giovanni Martini del 1501. Vicino c'è la Cappella di San Giuseppe con un altro dipinto del 1500. La cupola sopra la navata è stata rifatta nel 1966.
Ci sono altre cappelle con opere importanti, come la Cappella del Santissimo con affreschi di Giambattista Tiepolo e la Cappella dei Santi Giovanni Battista ed Eustachio.
All'uscita ci sono due vasche per l'acqua santa, una fatta da Bernardino da Bissone nel 1497. Nella controfacciata c'è una statua di legno dorato che rappresenta un cavaliere.
Accanto al Duomo c'è il campanile, costruito a metà del 1400 da Cristoforo da Milano.
Oggi il campanile sembra basso e tozzo, ma il progetto originale prevedeva una torre più alta con una statua della Madonna in cima, che doveva essere in collegamento visivo con la statua dell'Angelo sul campanile del Castello. Insieme avrebbero rappresentato l'Annunciazione.
L'interno del Duomo di Udine è caratterizzato da uno stile barocco, arricchito grazie alla famiglia Manin e alla riforma settecentesca, che hanno conferito agli spazi un aspetto più sfarzoso. Il presbiterio è particolarmente maestoso e ospita capolavori di artisti di fama internazionale. Nella Cappella del Santissimo si possono ammirare opere di Giambattista Tiepolo. Tra gli altri artisti che hanno abbellito il Duomo ci sono Pomponio Amalteo, il Pordenone, Pellegrino da San Daniele, il Torretti, maestro del Canova, Domenico da Tolmezzo e il Dorigny, autore delle volte.
Particolare della controfacciata del duomo, con la statua lignea sopra il portale