Najbardziej reprezentatywny zabytek Tarnowa. Wielokrotnie przebudowywana. W swym pierwotnym, gotyckim XIV-wiecznym kształcie, była to zapewne budowla bez wieżowa, jednonawowa z prostokątnym prezbiterium, wzniesiona z cegły z dodatkiem kamienia. Stopniowo pierwotna bryła kościoła była obudowywana kaplicami od końca XIV w. do XIX w.
Potężna wieża od zachodu została dobudowana do nawy głównej zapewne w końcu XV w. Jej dzisiejsza wysokość wynosi 72 m, ile wynosiła pierwotna, nie wiadomo.
Dzisiejszy wygląd neogotycki, katedra otrzymała po gruntownej renowacji i częściowej przebudowie w latach 1889-1900.
Katedra słynie z renesansowych nagrobków przedstawicieli rodu Tarnowskich oraz manierystycznego Ostrogskich, które słusznie uchodzą za jedne z najwybitniejszych dzieł sztuki w Polsce takich mistrzów jak: Bartłomiej Berecci, Jan Maria Padovano i Jan Pfister.
Pomnik nagrobny Barbary z Tęczyńskich Tarnowskiej (zm. 1521 r.) z warsztatu Bartłomieja Berecci jest uważany za najpiękniejszą rzeźbę, przedstawiającą kobietę doby Renesansu w całej Europie.
Zaś piętrowy pomnik hetmana Jana Tarnowskiego (zm. 1561 r.) i jego syna Krzysztofa (zm. 1567 r.), za najbardziej monumentalny w Europie. Wymiary jego wynoszą obecnie 13,8 m wysokości i 5,6 m szerokości.
Obecnie Katedra tarnowska nosi tytuł "Bazyliki Mniejszej". Obdarzył ją tą godnością Papież Paweł VI Listem Apostolskim "Cum beatissima" z dnia 14 kwietnia 1972 roku. Jest to wyróżnienie honorowe, przyznawane niektórym świątyniom, ze względu na ich wyjątkowe znaczenie dla kultu Bożego i dla chrześcijańskiej kultury artystycznej.