Un primo edificio dedicato al santo patrono esisteva fin dall'841 all'inizio dell'attuale viale XX settembre. Tra il 1552 ed il 1554 l’Imperatore Carlo V decise la trasformazione della città in una piazzaforte militare, pertanto furono distrutte tutte le costruzioni esistenti al di fuori della cinta muraria, compresa la basilica. Negli stessi anni fu istituita la "Fabbrica Lapidea della Basilica di San Gaudenzio" avente lo scopo di sovraintendere alla riedificazione della chiesa.
A seguito alla pestilenza del 1576, dalla quale Novara miracolosamente non fu colpita, si decise la ricostruzione della basilica nel punto più elevato della città, all'angolo nord-ovest delle mura. Qui, fin dal 1019, esisteva una chiesa intitolata a san Vincenzo Martire, che fu demolita per far posto al nuovo edificio; si salvarono solo tre cappelle, tra cui quella dedicata a san Giorgio dove erano state temporaneamente traslate le spoglie di san Gaudenzio a seguito della distruzione della basilica extra-muraria.
La progettazione fu affidata probabilmente a Pellegrino Tibaldi. La prima pietra fu posata nel maggio 1577; la consacrazione avvenne il 13 dicembre 1590 ad opera del vescovo Cesare Speciano quando ancora non erano stati eretti il transetto ed il presbiterio. Il peggioramento della situazione economica, aggravata da pestilenze e guerre, bloccò i lavori che ripresero solo nel 1626 e proseguirono a rilento per concludersi nel 1656. L'11 giugno 1711 la chiesa poteva dirsi ultimata con la solenne deposizione nello scurolo delle reliquie di san Gaudenzio, fino ad allora conservate nella cappella di San Giorgio.
La chiesa, a navata unica, ha sei cappelle laterali che si affacciano maestose e ci accompagnano lungo il cammino verso l’altare maggiore.
Entrando nella magnifica aula, sulla destra, troviamo la prima cappella: la Cappella della Buona Morte interamente affrescata dal Morazzone le cui decorazioni e stucchi incorniciano, sull’altare la Deposizione del Moncalvo, pittore amato dal vescovo Bascapè a cui commissionerà la decorazione della Cappella che scelse come suo sepolcro nella Chiesa novarese di San Marco.
La grande tela con il Giudizio Universale del Morazzone, drammatica e di forte impatto con le figure dipinte in scala gigante e immerse nei fuochi dell’Inferno tra diavoli indaffarati nelle più efferate torture, ci introduce alla seconda cappella in ordine cronologico.
La Cappella dell’Angelo Custode, commissionata a un altro grande del ‘600, Tanzio da Varallo nel 1629. Voluta dalla committenza con una divisione identica a quella del Morazzone e patrocinata dalla nobile famiglia Nazari, come ricorda la lapide posta a sinistra della cappella. In questa gli affreschi, gioiosi di colore e di forme, stridono con la potenza drammatica della tela con la Battaglia di Sennacherib, dove l’Angelo mandato dal Signore che sguaina la spada insanguinata calando sull’esercito di Sennacherib per sterminare i soldati nell’accampamento.
Un brano di pittura indimenticabile con echi caravaggeschi memori del soggiorno romano del Tanzio ed esaltato dal grande poeta Giovanni Testori.
A seguire la Cappella della Natività, affrescata dal Duchino con la pala d’altare di Gaudenzio Ferrari. Il polittico di Gaudenzio è datato al 1514 circa ed è realizzato in parte con il suo collaboratore Sperindio Cagnoli.
Altre opere ornano la chiesa di bellezza come la Cappella della Circoncisione con opere dei Fiammenghini, la Cappella della Madonna di Loreto con affreschi del Legnanino .
A sinistra dell'altare del transetto destro, una scaletta conduce all'ottagonale "Cappella dello Scurolo" , accessibile solo durante la festa patronale, con belle porte in acciaio e bronzo ed un ricco rivestimento di marmi preziosi con decorazioni in bronzo, realizzata dall'architetto ticinese Francesco Castelli tra il 1674-1711. All'interno si trova un altare riccamente decorato con rilievi bronzei in campo di lapislazzuli sul quale è posta la grande urna ottagonale in argento e cristallo contenente il corpo di San Gaudenzio, opera anch'essa del Castelli. In quattro nicchie, belle statue dei Santi Adalgiso, Agabio, Lorenzo e Giulio dello scultore Carlo Beretta; nella volta sopra l'altare è affrescato il "Trionfo di San Gaudenzio", di Stefano Legnani detto il Legnanino.
Nel presbiterio si trova l'altare maggiore barocco, arricchito da marmi e decorazioni in bronzo disegnate da Carlo Beretta e fuse da Carlo e Francesco Pozzi, da Giovanni Battista Agazzini e da Carlo Esartier. Alla parete sinistra del presbiterio, la cattedra marmorea sulla quale, vuole la tradizione, siedono i vescovi nel giorno del loro ingresso.
Alla testa del transetto sinistro una grande tela di Pelagio Palagi (1833), da poco restaurata (2013), raffigura Sant'Adalgiso che dona ai canonici della basilica di San Gaudenzio i beni di Cesto.
Completata la Basilica, la Fabbrica Lapidea decise nel 1753 la costruzione del Campanile, ad opera dell’architetto Benedetto Alfieri, figura legata ai Savoia sotto il cui regno Novara era passata nel 1738. Il Campanile venne completato nel 1786.
Un primo progetto della Cupola di San Gaudenzio fu presentato da Alessandro Antonelli nell'anno 1841. Seguirono altri progetti sino al terzo progetto che venne approvato dal Consiglio comunale. Nel 1862 la costruzione giunse fino al termine della Cupola vera e propria, restando da fare il cupolino. Ancora opposizioni sorsero a fermare il lavoro e la Cupola restò per 13 anni coperta da un tetto provvisorio. Quest'altra lunga interruzione diede all'architetto la possibilità di concepire il raddoppio del cupolino, in armonia con l'eseguito raddoppio del colonnato sotto la Cupola. Così il cupolino fu costruito negli anni dal 1876 al 1878 e la statua del Salvatore, opera dello scultore milanese Pietro Zucchi, fu iposizionata sull'estrema cuspide il giorno 16 maggio 1878.