Il Duomo presenta un impianto a croce greca “imperfetta” dal momento che il braccio ad ovest in corrispondenza dell’ingresso presenta una campata in più rispetto ai bracci del transetto e del presbiterio. Questa differenza non è molto accentuata poiché la navata longitudinale è molto ridotta e prevede solo tre campate. Il transetto e il presbiterio terminano con grandi absidi semicircolari. Il corpo longitudinale, i bracci del transetto e il braccio del presbiterio hanno tre navate di cui quella centrale è larga il doppio delle due laterali e sono caratterizzati da una successione di cappelle absidate.
La cupola a due calotte parallele poggia su di un tamburo ottagonale che si caratterizza per la presenza di grandi gallerie, tre aperture per lato, sovrastate da enormi finestre. La cupola, contraddistinta da un cupolino con croce terminale che le dona slancio, poggia su otto monumentali pilastri e ha un’altezza di 97 metri, una luce di 34 metri e un peso di 20.000 tonnellate. La cupola del Duomo è la quarta per diametro in Italia dopo quella della Basilica di San Pietro in Vaticano, del Pantheon a Roma e della cattedrale di Santa Maria del Fiore a Firenze.
L’abside maggiore presenta grandi finestre con lacunari a rosoni e lesene con raffinati capitelli che scandiscono una serie di nicchie disposte a raggio. All’esterno, l’abside verso il cortile del Broletto è completamente rivestito di marmo con finestre incorniciate sovrastate da timpani triangolari e scandite da eleganti lesene. Il profilo esterno del Duomo si contraddistingue per una successione di nicchie estradossate a cui all’interno corrispondono le cappelle.
La facciata si presenta “non finita”, con mattoni a vista e con due livelli di gallerie in marmo a movimentarne il profilo molto semplice e lineare che presenta contrafforti laterali e lesene a scandirla verticalmente, anticipando la suddivisione interna in tre navate di altezze diverse. L’aspetto della facciata, di alcune parti all’interno e quasi tutto l’esterno suggeriscono la mancanza di un rivestimento in marmo.
All’interno si ha un’abbondante presenza di marmo bianco, provenienti nei corso dei secoli da differenti cave: Creola, Ornavasso, Candoglia, Angera ecc.
La cripta, coperta da archi ribassati, suddivisa in tre navate di due campate ciascuna, con absidi laterali di cui la maggiore ha la tazza a ventaglio, riprende nella pianta quella del Duomo. Sia la cripta di struttura centralizzata, sia le due sacrestie si possono ricondurre – per le linee semplici e per il senso di perfetta armonia – al progetto del Bramante. Nella sommità dell’abside e delle due campate maggiori le chiavi di volta hanno tre medaglioni a bassorilievo in marmo raffiguranti San Siro in abiti vescovili con in testa la mitria, in atto benedicente, la Madonna con in braccio il Bambino che tiene in mano la colomba e Santo Stefano riconoscibile dalle vesti di diacono e dalle pietre del martirio. Tutti e tre i tondi presentano uno sfondo “a conchiglia” e una cornice di alloro.
1481 – Un tempo in questa posizione s’innalzavano le due antiche cattedrali romaniche di Santo Stefano e di Santa Maria Popolo, rispettivamente la cattedrale d’estate e la cattedrale d’inverno.
Nel 1481 i Pavesi sentirono l’esigenza di avere un’unica cattedrale dignitosa.
Nell’anno 1488 cominciò la demolizione e la ricostruzione di un’unica cattedrale.
1492 – Nel 1492 era già stata edificata la cripta classicheggiante a tre navate e si stava procedendo alla realizzazione dell’abside maggiore, del presbiterio e delle due navate minori ai lati del presbiterio.
Il progetto spettava al pavese Cristoforo Rocchi al quale subentrò, in una seconda fase, come direttore dei lavori Giovanni Antonio Amadeo.
1600 – La pianta ottagonale della cupola, il tamburo e le due sacrestie sono stati realizzati tra il sei e settecento.
1900 – Le navate verso l’ingresso, la cupola e la facciata risalgono al XIX secolo, il transetto a un’epoca ancora più recente 1930-1933.
1989 – restauro e recupero staticoDopo il crollo della Torre Civica (17 marzo 1989), alla fine del 1995 è stata presa la decisione di chiudere una parte consistente della struttura per realizzare un grande progetto di restauro e recupero statico del Duomo. Dal 19 febbraio del 2011 l’intero Duomo è stato chiuso per indispensabili lavori che interessavano tutte le sue parti.
2011 – Dal 19 febbraio del 2011 l’intero Duomo è stato chiuso per indispensabili lavori che interessavano tutte le sue parti. La notte di Natale del 2011 il vescovo Mons. Giovanni Giudici ha celebrato la Santa Messa in Duomo a Pavia dopo vent’anni di chiusura. Attualmente il Duomo dopo una breve apertura durante il periodo festivo è stato di nuovo chiuso per lavori.
2012 – Il 13 ottobre 2012 con la traslazioni delle spoglie di San Siro dalla chiesa del Carmine al Duomo presso l’altare omonimo, il Duomo ha riaperto definitivamente dopo una chiusura di 17 anni.
2012 – Dopo la riapertura, sono proseguiti gli interventi di restauro e pulizia di tutti gli altari laterali dei bracci del transetto.
2017 – Nell’anno 2017 la Soprintendenza ha autorizzato il restauro delle sei cappelle delle navate laterali. I lavori sono previsti durante gli anni 2018/2019