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A catedral, rodeada por edifícios importantes, determina a pedra angular histórico-religiosa da cidade.
Construída no antigo centro habitacional urbano, a primeira informação que a diz respeito remonta ao ano de 547, quando o bispo Félix – em sinal de gratidão votiva – a dedicou a São Martinho, bispo de Tours. Da igreja medieval primitiva original, restam alguns fragmentos de pedra com motivos decorativos de vime entrelaçado (séc. IX-X), já utilizados como material de enchimento, encontrados durante as restaurações após o terramoto de 1936. Dos seus altares do século XIV, resta a chamada arca dos Azzoni, murada dentro do campanário, e a dos Avoscano, que hoje serve de mesa de altar na cripta.
Em 1471, um incêndio fortuito forçou a reconstrução da catedral, que anteriormente tinha a fachada voltada para o Piave. A nova catedral foi construída a partir de 1517, segundo um projeto de Tullio Lombardo, e foi gradualmente enriquecida ao longo dos séculos XVII e XVIII pelos bispos que se sucederam à frente da igreja de Belluno.
Em 1732, foi erguido o campanário barroco, projetado por Filippo Juvarra, e tornou-se uma basílica menor desde 1980.
No interior encontram-se numerosas obras de importantes artistas como Cesare Vecellio, Andrea Meldolla, conhecido como Schiavone, Jacopo Da Ponte, Andrea Brustolon, Gaspare Diziani e outros.
