Remplaçant la chapelle de la fin du Xe siècle, la collégiale des Bourbons fut construite à la fin de l'époque médiévale. Partie la plus ancienne de l'édifice actuel, construite en style gothique flamboyant, sa première pierre fut posée en 1468 par Agnès de Bourgogne, mère de Jean II, duc de Bourgogne, et veuve du duc Charles Ier de Bourbon. Les travaux furent probablement entrepris par Jean Poncelet, maître des œuvres de Jean II. Malheureusement il fallut les suspendre en 15084. Ils continuèrent, sous le duc Pierre ii de Bourbon et sa femme, la duchesse Anne de France, fille de Louis XI. Le chœur était construit et vers 1540, en attendant mieux, on le ferma à l'ouest par un simple pignon orné d'une rosace, de rampants et de pinacles, lequel servit de façade à l'édifice jusqu'en 1854. Cette partie du bâtiment constitue le chœur de l'actuelle cathédrale.
La Cathédrale Notre-Dame-de-l'Annonciation telle que nous la connaissons aujourd'hui est en fait composée de deux parties : la vieille église collégiale qui fut modifiée du XIVe au XVIIe siècle, et la cathédrale épiscopale coiffée de flèches, datant du XIXe siècle. La séparation est nette au niveau du clocheton. L'ensemble fut élevé par le Pape au rang de basilique en 1949. Le chœur de la cathédrale de Moulins, place des Vosges, est de style gothique flamboyant du XVe siècle en grès jaune orangé de Coulandon qui servit aussi pour l'ancienne collégiale Notre-Dame de Moulins au XVe siècle ainsi que le pont de Moulins au XVIIIe siècle.
Sa nef et ses flèches néo-gothiques rayonnent avec le mélange du calcaire blanc prépondérant de Chauvigny et de quelques pierres noires de Volvic, de style gothique du XIIIe siècle considéré alors comme le plus pur par les historiens et architectes du XIXe siècle, alternant géométriquement le noir et le blanc autour de la rosace et au-dessus d'ogives. Ses deux flèches, mesurent 82 mètres mais paraissent plus hautes du fait que le parvis de la cathédrale domine d'environ 20 mètres la rivière Allier. Vu du dehors, le chevet a la forme d'une pyramide à deux étages s'élevant sur une base carrée. L'intérieur donne une idée de la hardiesse avec laquelle les architectes de la période gothique savaient vaincre les difficultés. À l'angle intérieur sud, s'élève une gracieuse tourelle d'escalier du XIVe siècle qui conduisait jadis au vestiaire des chanoines.
Les chanoines de la collégiale portaient un habit ecclésiastique particulier. À la ville, leur soutane, de la forme ordinaire, fermait avec des boutons violets, les boutonnières bordées de la même couleur ; ceinture et rotonde autour du collet en drap de soie également violets. Le chapitre royal de Notre-Dame de Moulins a été fondé en 1386 par Louis ii, duc de Bourbon. Le premier doyen fut nommé par le duc et institué par le pape. Ses successeurs seront élus par le chapitre et confirmés par le prieur de Souvigny.
La Cathédrale Notre-Dame-de-l'Annonciation est surtout célèbre pour son triptyque de la « Vierge en gloire », chef-d'œuvre réalisé autour de l'an 1500 par un artiste longtemps non identifié, le Maître de Moulins, aujourd'hui reconnu comme le peintre d'origine néerlandaise Jean Hey. Ce tableau, qui a su traverser cinq siècles sans restauration, est souvent qualifié comme étant un des chefs-d’oeuvre de la peinture de la fin du Moyen-Âge. Niché dans la Chapelle des Evêques, le triptyque représente une Vierge en gloire entourée du Duc Pierre II, de la duchesse Anne, fille du roi Louis XI et de leur fille Suzanne. Ce triptyque compte parmi les sommets de la création artistique médiévale. Il est à comparer avec le retable d'Issenheim ou aux plus belles pièces du musée du Louvre. À la perfection de l'exécution dans le style de l'école flamande, s'ajoute l'intemporalité du message qu'il véhicule. Il s'agit d'un témoignage de haute spiritualité qui invite au recueillement, à la contemplation et à la méditation...
Un caveau situé sous le maître autel, et qui sert actuellement de tombeau aux évêques de Moulins, abrite la sépulture des deux premières épouses du duc Jean II de Bourbon, Jeanne de France (†1482) et Catherine d'Armagnac (†1487) et les cœurs de Jean II et de Pierre II. Mais on peut également admirer dans Cathédrale Notre-Dame-de-l'Annonciation une Vierge noire du XIe siècle, un groupe sculpté gothique flamboyant représentant la "déploration du Christ" ainsi qu'une statue de Jeanne d'Arc en génuflexion. La statue de Jeanna d'Arc a été exécutée par Raymond Rivoire, artiste originaire de Cusset, cette statue représente Jeanne en prière près du vitrail Popillon, devant la chapelle où se trouve habituellement la Vierge Noire.
Le trésor de la cathédrale abrite un Christ reliquaire en ivoire du XVIIe siècle, un triptyque d'Aubery, un autre de Bethléem attribué au flamand Joos van Cleve. De nombreux vitraux dépeignant les Bourbons, la vie de sainte Catherine, celle de sainte Barbe, le Crucifiement ou encore l'Arbre de Jessé, éclairent le monument pourvu d'une kyrielle d'œuvres d'art.