Les premiers édifices épiscopaux ne sont connus que par des mentions d'archives. Le groupe cathédrale comprenait 3 églises, la cathédrale actuelle des Saints Apôtres, le baptistère avec un cimetière des nouveaux nés, et un cloître avec un quartier avec les maisons des chanoines. Le cloître situé sur la place de la république actuelle fut rasé pendant les guerres de religion, particulièrement virulentes dans la région. La cathédrale Notre-Dame de Die a été la cathédrale de l’évêché de Die du IVe siècle à 1801. À cette date, l’évêché de Die a été rattaché à celui de Valence. Les comtes-évêques, en lutte constante contre les comtes de Valentinois, dirigent la cité.
La Cathédrale de Die est placée sous le vocable de Notre-Dame de l’Assomption, elle se situe intra-muros, au sud-est de la ville, au sud de l'antique Dea Augusta Vocontiorum, à proximité de l'ancien palais épiscopal et des l'enceinte rempart gallo-romains du IIIe et IVe siècle, un grand mur de 2 km de long et 3.60 mètres de haut. La cathédrale Notre-Dame présente des éléments de différentes époques qui témoignent de sa riche histoire. La cathédrale de Die a été construite au XII-XIIIe siècle, sans doute sur l’emplacement d’un édifice antérieur du XIe siècle dont il ne subsiste que l’actuelle sacristie. Le clocher porche remonterait au second quart du XIIe siècle. Il est composé de quatre colonnes isolées des murs, supportant une voûte d’arêtes centrale appareillée et contrebutée de petites voûtes périphériques également d’arêtes. Ce type de disposition se retrouve au premier étage, il se rencontre dans plusieurs édifices d’une aire géographique allant de Valence à Limoges.
La nef unique de six travées aurait été édifiée au XIIIe siècle avec un envoûtement certainement gothique à l’origine correspondant à la date de la dédicace 1250. L’ensemble est probablement inspiré de Saint-André-le-Bas à Vienne (38) si l’on en juge par les dimensions, la voûte jadis gothique, la décoration des billettes ou encore les cordons moulurés. Au XVe siècle c’est sous l’épiscopat d’Antoine de Balzac que de gros travaux sont entrepris sur le chœur mais aussi sur le clocher avec le remplacement des contreforts et des arcs du premiers étages ces modifications conférant au clocher cet aspect robuste qui le caractérise aujourd’hui et qui constitue une forme propre au gothique terminal de notre région.
Au début du XVIe siècle le troisième étage est construit, percé de trois paires de fenêtres géminées tandis que sont supprimés les contreforts du gouttereau sud. Pendant les Guerres de Religion, particulièrement violentes en Diois, la cathédrale Notre-Dame de Die fut en partie détruite en 1568 puis en 1588 par les troupes protestantes qui détruisirent le chœur, le cloître, le baptistère ainsi qu’une partie de la nef. La paix établie la reconstruction fut entreprise elle ne s’acheva qu’en 1699. En 1933 l’architecte en chef Formigé reconstruisit le dernier étage du clocher-porche dont il ne subsistait que les arrachements dans un style néo-gothique. Cette opération fût alors financée par une souscription publique. Enfin, dans les années 1996-1998 la nef fut restaurée et aujourd’hui les enduits intérieurs blancs contribuent à définir un large espace d’une grande sobriété qui accueille, outre le culte catholique, plusieurs manifestations culturelles chaque année.
Aujourd'hui, trois volumes différents composent la Cathédrale Notre-Dame de Die :
La nef, volume unique démuni de contreforts, et régulièrement percé de baies en plein cintre, dans le rythme des six travées intérieures. Nef unique de 15 mètres de large et de 17 mètres de haut. Côté sud, la sacristie est adossée à la cathédrale. De forme carrée, la sacristie accolée à l'abside est un vestige de l'ancienne construction romane d'origine, probablement du XIe siècle. Les gouttereaux sont surmontés d’arcatures dichromes qui couronnaient jadis les contreforts déposés au XVIe siècle. Le pignon Est de la nef ; qui domine le chœur, est percé de deux œil-de-bœuf. Le chevet polygonal irrégulier, plus bas que la nef, rythmé par des contreforts du XVe siècle.
La nef unique comporte six travées, elle se poursuit par une abside semi-circulaire formant le chœur, dans lequel en plus du maître hôtel, se trouve l'orgue. Le chœur est orné de cinq grands tableaux : Le Mariage de la Vierge, La Présentation de la Vierge au Temple, L'Assomption, L'Annonciation, Sainte Anne et la Vierge. Les boiseries qui forment l'arrondi sont du XVIIIe siècle. Les stalles sont du XVIIe siècle. La cathédrale possède à également une série de statues des huit évêques qui ont marqué son histoire. D'autres autels décorent la nef, le premier est celui de la vierge de l'Immaculée conception dont la statue en bois doré, datant du XIXe siècle. La chaire joliment sculptée date de 1698, sur les panneaux latéraux remarquez Saint-Jérôme, Saint-Ambroise, Saint-Grégoire le grand, Saint-Augustin et les quatre évangélistes.
Le clocher-porche de plan carré précède la nef à l’Ouest. Bâti sur trois niveaux, il est terminé par une terrasse sommitale en béton (1933) surmontée d’un massif maçonné et du beffroi métallique réemployé. Au Sud, une tourelle carrée renfermant l’escalier se termine par une terrasse sommitale.
La Cathédrale Notre-Dame de Die est accessible via trois portes latérales menant à la nef située derrière le clocher-porche de style roman. Ce sont les portes nord, sud et ouest. La porte nord s'appelle souvent dans les écrits spécialisées la porte rouge, car c'est devant cette porte que l'on rendait la justice.
Le tympan du portail datant du XIIe siècle à l’ouest , a été noirci par un incendie Il représente un Christ en Croix entouré des 4 animaux représentant les 4 évangélistes : le tétramorphe. Il a subi de nombreuses dégradations au fil du temps, notamment au moment des Guerres de religion. Ce porche ouvert possède une très ancienne plaque funéraire d'époque gallo-romaine, intégrée dans le mur à côté du portail d'entrée. Il s'agit d'une pierre sculptée en relief méplat. D'autres pierres non gravées mais de la même époque, sont intégrées dans le bâti du clocher.