L'église orientée est construite selon un plan allongé, avec un chevet à pans coupés. Une grande chapelle surmontée d'un dome octogonal flanque la façade, sur le côté nord. la tour-clocher sur le flanc sud est percé d'une arche permettant le passage des piétons.
Extérieur
La façade occidentale primitivement romane s'est considérablement élargie vers le nord, au fur et à mesure des divers agrandissements de l'édifice. Elle atteint aujourd'hui 42 mètres de large, ce qui fait de cette façade une des plus larges parmi les cathédrales de la moitié méridionale de la France. La longueur externe de la cathédrale ne fait que 50 mètres. Au sud, la façade romane correspond aux nefs centrale et méridionale et mesure 20 mètres. Au centre, la portion gothique ajoutée au XIVe siècle et correspondant à la nef nord, a été partiellement recouverte au nord par la façade du XVIIe siècle et mesure 4 mètres. Enfin au nord, la partie classique de la façade, construite au XVIIe siècle et correspondant à la chapelle Sainte-Anne, mesure quelque 18 mètres de large.
L'entrée actuelle de l'édifice est flanquée de deux colonnes à fûts lisses couronnées de chapiteaux composites où se retrouvent des feuilles d'acanthe et des volutes. Elle est surmontée d'un entablement à deux niveaux, l'architrave étant sommée d'une corniche à denticules. Deux pots à feu encadrent une niche à fronton triangulaire. À droite du portail, une baie gothique éclaire la nef romane.
Le clocher roman
Un clocher roman quadrangulaire est érigé sur la croisée de transept. Son étage unique est coiffé d'une toiture pyramidale surbaissée. Quatre baies géminées par de petits pilastres s'ouvrent sur chaque façade tandis qu'aux angles et au centre huit colonnettes à chapiteaux s'appuient sur la corniche qui ceinture la flèche. Le clocher abrite cinq cloches, utilisées pour les offices. Ces cloches ne sont pas électrifiées et sont sonnées manuellement avec des cordes, ce qui est rare pour une cathédrale.
Le dôme
Le dôme qui couronne la Chapelle royale est recouvert de plaques de cuivre. Il est surmonté de la statue de sainte Anne dont la main tendue semble protéger la ville. Cette statue, en bronze doré et fondue à Paris en 1877, est l'œuvre du sculpteur local, Joseph-Elzéar Sollier.
Intérieur
Au début, l'église ne possédait que deux nefs romanes de trois travées, orientées est-ouest et séparées par de grandes arcades en plein cintre reposant sur de forts piliers. Au XIVe siècle, lorsqu'une troisième nef, gothique et voûtée d'ogives, est ajoutée au nord de l'édifice primitif, la nef centrale doit être profondément modifiée.
La nef centrale, totalement remaniée au XVIe siècle et au XVIIIe siècle, n'a pas conservé grand-chose de sa construction romane initiale. Seule demeure, au-dessus de la sixième travée, une croisée de transept sur laquelle s'appuie le clocher roman. Le plancher de la nef a été surélevé de deux mètres et une voûte en croisée d'ogives a remplacé la voûte en berceau, ce qui a permis d'ouvrir de grandes fenêtres. L'abside, quant à elle, a été remplacée à la même époque et a fait place à un vaste chœur néo-gothique. Il accueille les stalles du Chapitre. Elles ont été réalisées entre 1708 et 1710 par Antoine Nallein, ébéniste de Manosque qui reçut pour son travail 1 180 livres. Un autel en marbre blanc dont la sculpture est très influencée par le décor des sarcophages paléochrétiens est un don de l'évêque Mgr Jean-Baptiste de Vaccon au XVIIIe siècle.
La série des neuf tableaux qui sont exposés dans le chœur datent du milieu du XVIIIe siècle et représentent des scènes la vie de la Vierge Marie. Ces peintures sont l'œuvre d'artistes locaux, Christophe Delpech et A. Marron. Le grand vitrail au fond du chœur qui représente sainte Anne, la Vierge Marie et l'Enfant Jésus, est un des rares qui nous soit parvenu intact du XIVe siècle. Il est l'œuvre du maître verrier Audibert Chacharelli. Commandité par le pape Urbain V, celui-ci le consacre lors de sa venue à Apt le 22 octobre 1365.
Dans la nef, six autres tableaux, mettant en scène la vie du Christ, sont dus aux pinceaux des frères Delpech, Christophe et Pierre, élèves de Parrocel. Tandis qu'un tableau illustrant « La Sainte Famille », de Nicolas Mignard, est suspendu contre le premier pilier du bas-côté sud.
La majeure partie des décorations de la cathédrale datent du XVIIIe siècle, parmi ceux-ci : le buffet d'orgue, les boiseries, le maître autel en marbre ainsi que les statues en bois doré de saint Roch et de saint Jérôme. Sur un pilier, un tableau de Lelong du XVIIe siècle représente la Vierge portée par des anges et entourée des différents saints liés à la région, priant sur la tombe de sa mère, sainte Anne.
Le collatéral sud, dit Corpus Domini, adjoint à la nef centrale au XIe siècle, a conservé intégralement sa structure romane. Elle est coiffé d'un berceau en plein cintre, soutenu par des arcs doubleaux. Cette voûte repose sur une frise sculptée composée de végétaux. Dans l'abside a été placé un autel en marbre blanc des Pyrénées daté lui aussi du XIIe siècle. À l'origine, il desservait la nef centrale et ses niches étaient ornées de statuettes de bronze aujourd'hui disparues. Au cours du XIXe siècle, trois chapelles latérales avaient été installées dans ce collatéral. Celles dédiées à Marie et à Joseph ont été supprimées lors de la restauration de 1962. Il ne subsiste donc que celle du Saint-Esprit qui abrite les fonts baptismaux. Cette chapelle est ornée d'un tableau de Parrocel, intitulé La descente du Saint-Esprit.
Le collatéral nord, ajouté au XIVe siècle, est gothique et voûtée d'ogives. Il transforme les contreforts romans en gros piliers et communique par les arcades avec la grande nef. Le mur nord est percé au XVIIe et XVIIIe siècle pour y construire des chapelles. La chapelle de la Vierge est couverte d'une coupole ovale. On y trouve deux statues de la Vierge, l'une en bois doré et l'autre en marbre de Carrare. La chapelle Saint-Jean-Baptsite contient un sarcophage de la fin du IVe siècle et un autel en bois est doré avec des médaillons peints par L'Aragon datant du début du XVIIe siècle. Sur le mur, une icône, représentant saint Jean-Baptiste avec à ses pieds un chevalier de l'ordre des Hospitaliers, rapportée de Rhodes par les chevaliers lors de la perte de l'île.
La chapelle Sainte-Anne
La chapelle Sainte-Anne est la plus vaste des chapelles latérales de la cathédrale. La chapelle fut construite au milieu du XVIIe siècle, les travaux étant largement été financés par Anne d’Autriche suite à l’accomplissement d’un vœu, la naissance tardive du futur Louis XIV. Située à gauche en entrant dans l'église, elle comprend une nef carrée surmontée d'une coupole au-dessus de laquelle se trouve depuis 1876 une statue dorée de sainte Anne tendant une main protectrice sur la ville dont elle est la patronne.
Profonde de quelque 16 mètres, elle s'étend le long d'un axe perpendiculaire à la nef principale. Elle comprend une travée carrée à pans coupés, coiffée d'un tambour et d'une coupole, et prolongée par une vaste nef large et basse, elle-même couverte d'une voûte à caissons portée par un bel entablement reposant sur de vigoureux pilastres. L'ensemble a été construit de 1643 à 1664 sur les plans de l'architecte François de Royers de la Valfenière, d'Avignon. Les sculptures du retable, incluant de grands anges allongés sur les volutes du fronton, sont dues à l'artiste Jean-Claude Rambaud, d'Aix.
Des circulations complexes assuraient l'accès des pèlerins aux reliques et au puits aux eaux miraculeuses, situé sous l'autel du fond de la nef. L'ensemble a été construit de 1643 à 1664 sur les plans de l'architecte avignonnais François de Royers de la Valfenière. Les sculptures du retable, incluant de grands anges allongés sur les volutes du fronton, sont dues à l'artiste aixois Jean-Claude Rambaud. Dans les pans coupés de la travée d'entrée se trouvent des niches abritant quatre statues des évangélistes. On y trouve aussi un monument édifié pour la Grande Guerre, une statue de sainte Anne et une autre de la Vierge. Le chœur possède aussi des statues des évêques d'Apt du XVIIe siècle, un bras reliquaire de sainte Anne, réalisé par Armand Caillet au XIX, ainsi que divers autres trésors artistiques.
Le trésor de la Cathédrale Sainte-Anne
Au cœur de la chapelle, se trouve le trésor de la cathédrale. La cathédrale se prévaut d'une tradition selon laquelle les reliques de sainte Anne auraient été amenées par saint Lazare, sainte Madeleine et les saintes Maries en Gaule. Après un séjour à Marseille, elles auraient été confiés à l'évêque Auspice d'Apt qui les met à l'abri dans un caveau appelé Antrum antiquum au milieu du IIIe siècle. Selon le récit de Jean de Nicolaï dans son bréviaire de 1532, les restes auraient été miraculeusement découverts pendant une grande cérémonie religieuse à laquelle assistait Charlemagne à Apt. L'empereur suit les indications de Jean, fils du baron de Caseneuve, aveugle, sourd et muet, entré en transes, et fait dégager par des ouvriers une crypte emmurée dans laquelle reposent les reliques dans un coffre de cyprès. Recouvert du « voile de sainte Anne ».
Le trésor de la Cathédrale renferme donc une richesse de reliques précieuses, le plus notable étant le voile de Sainte Anne, un tissu fatimide du XIe siècle, unique dans son intégralité. Le trésor contient aussi des reliquaires d'époque des croisades, des objets de dévotion de sainte Anne du XVe siècle, ainsi que des éléments liturgiques ajoutés plus tardivement. Le trésor a survécu à la période révolutionnaire, grâce à des pièces qui n'étaient pas en métal précieux. Des objets liés à Elzéar et Delphine se trouvent également dans le trésor. En outre, le trésor conserve deux remarquables bouteilles en verre de Murano émaillé, du XVIe siècle, et des châsses reliquaires en émaux de Limoges qui datent du XIIe et XIIIe siècle. Il abrite aussi des ornements liturgiques et divers objets liés au culte.
La cathédrale Sainte-Anne possède deux cryptes.
La crypte inférieure est le vestige d'un édifice romain du Ier siècle utilisé pour les besoins religieux dès l'époque carolingienne. C’est une petite pièce voûtée dans laquelle a été déposée une stèle gallo-romaine. Elle se situe sous l’autel précédemment décrit et est accessible par un long couloir. L’entrée est située côté Ouest. Elle se compose d'un couloir accédant à un caveau où, selon la tradition locale, aurait été retrouvé le voile de sainte Anne. Lors des travaux d'édification de la première cathédrale intramuros, furent percées dans les parois des niches, dont l'une est encore grillée, qui servirent de reliquaires. La tradition veut que se fut ici qu'eurent lieu les découvertes des reliques d'Auspice et d'Anne.
Le plafond est orné de dalles récupérées de l'église carolingienne. Ce sont des chancels ornés d'entrelacs, de fleurs et de fruits où domine le raisin. Ils sont entaillés de graffitis d'époque. Au centre est placée une inscription latine honorant C. Allius Celer, qui fut flamine d’Apta Julia. Dans la voûte un ombilicus, toujours visible, permettait aux fidèles de participer au culte depuis la crypte supérieure. Très remaniée, cette crypte paraît datable plus de l'époque mérovingienne que de la période gallo-romaine.
La crypte supérieure, située au niveau du sol de la cité antique et sous le transept de l'église du XIe siècle dont elle est contemporaine. Ses accès latéraux d'origine ont été remplacés par escalier central construit en 1861. À partir de là, un déambulatoire, couvert d'une voûte en berceau en plein cintre, soutenue par des arcs doubleaux qui s’appuient sur des impostes non décorées, ceinture le centre de la crypte. Elle est constituée d'un petit chœur couvert d'une voûte en cul-de-four, séparé du déambulatoire par un mur percé de cinq arcades. Au centre, l'autel tabulaire et monolithique, est constitué d'une table de pierre préromane posée sur une stèle funéraire romaine dont trois faces portent des inscriptions, date du VIIIe siècle, et provient de l'ancienne cathédrale Saint-Pierre. Sur les côtés, sept niches renferment des sarcophages chrétiens.