Кафедральный собор святого Лаврентия находится по соседству с Папским дворцом на площади Piazza San Lorenzo.
Собор был возведен на холме в конце 12 века в традициях романской архитектуры на месте более ранней приходской церкви, первые известия о которой восходят к середине 9 столетия, которая, в свою очередь, была построена на месте языческого храма, посвященного Геркулесу. В 1192 году по велению папы Целестина III в церковь святого Лаврентия переносится епископская кафедра. С середины 13 века с перенесением папского престола в Витербо собор приобретает еще большее значение: здесь разворачиваются события огромной важности, такие как коронация новоизбранных пап, двое из которых (Александр IV и Иоанн XXI) были в нем и погребены.
Прорезанная четырьмя ярусами бифориев колокольня собора сохранила средневековые черты (шпиль был добавлен в середине 15 века). Она была построена в конце 13 века в традициях тосканской готической архитектуры, для которой была характерна полихромная полосатая облицовка стен.
Кафедральный собор представляет собой трехнефную базилику с тремя апсидами, при этом центральная апсида значительно выдвинута вперед по отношению к боковым апсидам. Трансепт, пристроенный в 1192 году, уступает в высоте центральному нефу. Просторный интерьер собора украшают два ряда полуциркульных арок на колоннах с тщательно проработанными изысканными капителями из серого вулканического туфа, выполненные местными ремесленниками по образу произведений северных мастеров, работавших в Витербо с конца 11 века. В 16 веке по велению Гамбара в боковых нефах прорубаются проходы и пристраиваются шесть капелл, при этом были утрачены романские фрески, находившиеся на этих стенах. В 1861 году заменяется стропильный потолок собора.
Собор сильно пострадал от бомбардировок Второй мировой войны. Во время послевоенной реставрации ученые попытались придать интерьеру его первоначальный облик. Таким образом, шесть капелл Гамбары были замурованы, закрыты апсидные хоры, открытые в свое время Гамбарой.
В соборе сохранились интересные фрагменты фресковой росписи: фрески апсидной зоны датируемые концом 13 века, а также фрески 14 века, находящиеся слева от входа в храм. Кроме того, в соборе интерес представляют следующие произведения искусства:
* «Мадонна делла Карбонара», доска работы неизвестного мастера, выполненная в византийском стиле (12 век);
* Купель из каррарского мрамора работы Франческо ди Анкона (1470);
* Саркофаг папы Иоанна XXI (1276 - 1277), единственного в истории понтифика португальского происхождения;
* Алтарный образ «Святой Лаврентий» работы витербского художника Джован Франческо Романелли (1612 - 1662), его кисти принадлежит также холст «Святое семейство со святым Бернардином»;
* Десять полотен, иллюстрирующих эпизоды из жизни святого Лаврентия работы римского художника Марко Бенефиала, украшающие стены центрального нефа;
* Фреска витербского мастера Антонио дель Массаро, известного также как Пастура «Мадонна с младенцем, протягивающим обручальное кольцо святой Екатерине, со святой Варварой, святым Петром, святым Франциском, святым Амвросием и святым Бернардином» (16 век);
* «Благословляющий Христос со святыми», доска работы Джироламо да Кремона (1472).