La cathédrale, entourée d'importants bâtiments, détermine le pivot historique et religieux de la ville.
Construite dans l'ancien centre urbain, la première information à son sujet remonte à l'année 547 lorsque l'évêque Félix, en signe de gratitude votive, la dédia à saint Martin, évêque de Tours. De l'église médiévale d'origine, il reste quelques fragments de pierre avec des motifs décoratifs entrelacés (IXe-Xe IX-Xe siècles), déjà utilisés comme matériau de remblai, découverts lors des restaurations après le tremblement de terre de 1936. De ses autels du XIVe siècle, il reste l'arche dite des Azzoni, murée à l'intérieur du clocher, et celle des Avoscano, qui sert aujourd'hui de table à l'autel de la crypte.
En 1471, un incendie fortuit obligea à reconstruire la cathédrale, qui avait auparavant sa façade tournée vers le Piave. La nouvelle cathédrale fut érigée à partir de 1517, sur un dessin de Tullio Lombardo, et fut progressivement enrichie tout au long des XVIIe et XVIIIe siècles par les évêques qui se succédèrent à la tête de l'église de Belluno.
En 1732, le clocher baroque, conçu par Filippo Juvarra, a été érigé et est devenu une basilique mineure en 1980.
À l'intérieur, de nombreuses œuvres d'artistes importants tels que Cesare Vecellio, Andrea Meldolla dit lo Schiavone, Jacopo Da Ponte, Andrea Brustolon, Gaspare Diziani et d'autres sont conservées.