L'esterno della cattedrale è caratterizzato principalmente dall'alta torre campanaria, uno dei simboli di Alghero, che spicca nel panorama urbano del centro storico. La torre, sul retro della chiesa, fa parte della prima fase di costruzione dell'edificio, è in stile tardogotico, con la canna a sezione ottagonale, diverse aperture ad arco ogivale sui lati, e, dopo una balaustra lungo la quale archi e pinnacoli si alternano, è coronata con una slanciata guglia di forma piramidale comune in Catalogna rivestita di maioliche policrome. Alla base del campanile si apre il portale che lo collega alla cappella centrale del deambulatorio. È in stile fiorito, con colonnine sormontate da archetti ogivali, decorato da sfere e piccoli gigli scolpiti nella pietra.

L'ingresso principale si trova sulla piccola piazza del Duomo, dove si affaccia il prospetto ottocentesco in stile neoclassico. Presenta un monumentale pronao classico, dotato di un timpano triangolare retto da quattro colonne di ordine dorico sorrette da un alto stilobate con scalinata centrale. Lo spazio interno del tempio è a croce latina suddiviso in tre navate, separate tra loro da pilastri e colonne di gusto classico. Ha stile tardo rinascimentale come dimostra la volta a botte leggermente ribassata impostata su un cornicione sorretto da grandi mensole classicistiche e segnata da sottarchi che dividono lo spazio sottostante in campate. Il minimo scarto dei bracci ortogonali conferisce all'impianto longitudinale una centralità di stampo rinascimentale, evidenziata dall'accentuato sviluppo in altezza. Nelle navate laterali si aprono sei cappelle, tre per lato, tutte ornate da interessanti opere d'arte. Notevoli soprattutto le prime cappelle di ciascuna navata, più grandi delle successive e coperte da cupole che gravano su alti pilastri alternati a colonne doriche in arenaria, in cui si trovano due imponenti altari ottocenteschi in stile neoclassico; di particolare rilievo la prima cappella a destra, dedicata al Santissimo Sacramento, con un imponente altare consacrato nel 1824, scolpito nel marmo e decorato al centro con un tempietto circolare che ricorda il tempio di Vesta a Roma. Altre cappelle si aprono sul transetto coperto a padiglione, che ospita anche il mausoleo marmoreo, in stile neoclassico, di Maurizio di Savoia (1762-1799), duca del Monferrato, scolpito agli inizi del XIX secolo da Felice Festa su committenza di Carlo Felice di Savoia, fratello del duca. Nel punto in cui la navata centrale incrocia il transetto si innalza la seicentesca cupola ottagonale, costruita su un alto tamburo finestrato, al di sotto della quale si trova il presbiterio. L'area presbiterale, sopra il pavimento dell'aula di qualche gradino, è cinta da una balaustra, realizzata in marmi intarsiati dal genovese Giuseppe Massetti nel 1727. Lo stesso artista realizzò anche l'altare maggiore, col gruppo scultoreo raffigurante l'Immacolata tra angeli, e l'elegante pulpito. Ai lati della scala di accesso al presbiterio fanno la guardia due leoni marmorei, secondo il modello del Duomo di Cagliari, ripreso poi in varie chiese dell'Isola. Dietro il coro ligneo, nell'abside poligonale, si aprono cinque cappelle radiali in stile gotico, unite fra loro a formare un deambulatorio. Nelle cappelle vi sono pregevoli altari lignei, opera di abili artigiani locali e deliziosi altari in marmo, fra i quali spicca quello del SS. Sacramento, realizzato in prezioso marmo di Carrara su commissione del vescovo Pietro Bianco di Sassari. Sulla cantoria in controfacciata si trova l'organo a canne Mascioni opus 477, costruito nel 1935. A trasmissione pneumatica, ha due tastiere di 58 note ciascuna ed una pedaliera concavo-radiale di 30.