La fabbrica della cattedrale, attribuita al vescovo Massimo, risale alla fine del IV secolo.
Il progetto originario prevedeva uno sviluppo su un impianto di tre basiliche cristiane, contigue e comunicanti, dedicate a San Salvatore, Santa Maria e San Giovanni Battista. Quest’ultima era la principale e la sua origine si fa risalire all’età longobarda. Il Museo Diocesano, visitabile nei sotterranei del duomo, custodisce i resti archeologici di questi antichi edifici.
Nel 1490, per ordine del cardinale Domenico Della Rovere dei signori di Vinovo, si diede inizio ai lavori di demolizione delle tre antiche basiliche e alla conseguente edificazione di una nuova fabbrica su progetto dello scultore e architetto Amedeo da Settignano, detto Meo del Caprina, che portò in Piemonte le nuove forme del Rinascimento.
Bianca di Monferrato, reggente di casa Savoia, nel 1491 posò la prima pietra e il 21 settembre 1505 la cattedrale fu consacrata.
Torino, divenuta capitale del Ducato Sabaudo nel 1563, accolse la Sindone nel 1578, e nel corso del Seicento si decise di ampliare il duomo col fine di creare un ambiente degno per poterla ospitare. Nel 1649 venne interpellato Bernardino Quadri, giunto a Torino alla corte di Carlo Emanuele II, ma il suo progetto non fu accettato. Nel 1667 fu allora chiamato Guarino Guarini, già impegnato nella Real Chiesa di San Lorenzo, poco lontana dal Duomo, che nel l668 diede avvio alla realizzazione della Cappella della Sindone. La cupola, i cui lavori durarono 28 anni, fu conclusa nel 1694.
Il duomo fu danneggiato gravemente nel corso dell’incendio dell’aprile 1997 distruggendo molta parte dell’opera guariniana. La Sacra Reliquia è stata portata in salvo dai vigili del fuoco. Grazie alla riapertura dell’antica cava di marmo nero di Frabosa, le decorazioni distrutte dall’incendio vengono ora ricostruite con lo stesso materiale scelto da Guarino Guarini della seconda metà del Seicento. Da allora è stata realizzata la nuova teca per preservare la Sindone da possibili danni.

FACCIATA E TORRE CAMPANARIA
La facciata mostra forme geometriche semplici ed è rivestita in pietra dai toni chiari proveniente dalle cave di Bussoleno. Al centro del timpano si trova, scolpito nel marmo, lo stemma di Domenico Della Rovere, composto da un albero di quercia, un cappello cardinalizio e una croce. Il nome del vescovo committente, che era cardinale del titolo di San Clemente a Roma, ricorre sopra i portali. Le eleganti decorazioni rinascimentali presentano la figura di Dio Padre, di Cristo, di angeli musicanti e di san Giovanni Battista.
La torre campanaria, dedicata a Sant’Andrea, fu edificata tra il 1468 e il 1470 per volontà del vescovo Giovanni di Compeys, appartenente a una prestigiosa famiglia di origine savoiarda.
A partire dal 1491, a seguito dell'atterramento delle tre chiese paleocristiane che un tempo occupavano il sito, la torre assunse la funzione di campanile della cattedrale ed era ad essa collegata tramite una galleria, ora accessibile dal Museo Diocesano.
Con l'inizio del Seicento la struttura fu restaurata e consolidata, mentre un secolo dopo l'architetto Filippo Juvarra lavorò al progetto del coronamento. Secondo il disegno juvarriano la torre avrebbe dovuto essere completata da una cupola, che non fu però mai realizzata.