La prima edificazione risale al 1078-1094, sulle rovine delle Terme Achilliane, su iniziativa del Conte Ruggero, con le caratteristiche di "ecclesia munita" (fortificata). I resti normanni consistono nel corpo del transetto, due torrioni mozzi e le tre absidi semicircolari composte da grossi blocchi di pietra lavica. L'edificio attuale è opera dell'architetto Girolamo Palazzotto, che si occupò principalmente dell'interno, mentre Giovanni Battista Vaccarini disegnò e seguì i lavori della facciata. Si accede al sagrato attraverso una scalinata in marmo che culmina in una cancellata in ferro battuto con dieci Santi in bronzo. Il sagrato è diviso dalla Piazza del Duomo da una balaustra in pietra bianca con cinque grandi statue di Santi in marmo di Carrara. Il prospetto è a tre ordini compositi in stile corinzio e attico, in marmo di Carrara. Tutti gli ordini sono adornati con statue di Sant'Agata. Il portone principale in legno è costituito da trentadue formelle finemente scolpite, ai lati sono poste le statue dei Santi Pietro e Paolo. La cupola risale al 1802 ed è munita di colonne e ampi finestroni. Il campanile fu costruito per la prima volta nel 1387, ma la sua storia è molto accidentata: subì diversi crolli e verrà realizzato solo nell'Ottocento nella forma attuale da Carmelo Sciuto Patti. La ricostruzione post terremoto del 1693 determina l'uniformità degli stili decorativi interni. Tra i capolavori esposti, pochi hanno superato indenni il disastroso sisma e il patrimonio artistico attuale, in particolare il ciclo fiammingo, è dovuto a interventi di mecenatismo. Il monumento funebre di Pietro Galletti, vescovo artefice dell'ultima ricostruzione, è il più sontuoso della Chiesa, realizzato in marmo riccamente decorato e intarsiato. L'ingresso alla Cappella della Vergine è delimitato da un portale marmoreo del 1545, opera di Giovan Battista Mazzolo. L'altare è illuminato da una monofora in pietra lavica inserita in un arco normanno che custodisce la scultura della "Vergine dell'Incoronazione". Nel 1958, all'interno della Cappella sono stati collocati i sarcofagi dei reali d'Aragona. La Sagrestia custodisce un importante affresco raffigurante l'Eruzione dell'Etna del 1669, opera del pittore Giacinto Platania. Ma la Cappella più cara a i catanesi è in fondo alla navata: un'elaborata cancellata in ferro battuto, opera di Salvatore Sciuto Patti del 1926, protegge la maestosa Cappella di Sant'Agata, anche detta 'a cammaredda, dentro cui vengono custoditi il busto e lo scrigno reliquiari della Santa. All'interno, la Cappella è decorata da un ciclo di affreschi del pittore romano Giovanni Battista Corradini (XVII secolo).