La Basilica con Cattedrale risale all'epoca Bizantina, ma ha subìto una serie di interventi, il primo compiuto intorno all'anno 1000, che ne hanno fatto uno dei migliori esempi di stile romanico in Romagna.
La pianta dell'edificio è a croce latina, mentre l'aspetto e l'interno della cattedrale sono semplici e austeri. Sulla parete destra è collocato il quadro più pregevole, la Messa di San Gregorio Magno, attribuita alla scuola del bolognese Carlo Cignani (1628-1719). In fondo alla navata destra si trova la Cappella di San Vicinio, fatta costruire nel 1755 dal vescovo Paolo Calbetti: conserva sotto l'altare le reliquie del Santo e dentro il tabernacolo la celebre catena o collare.
Il collare di San Vicinio da secoli viene offerto al bacio dei fedeli o racchiuso al collo dei malati e degli ossessi che a migliaia, ogni anno e da tutta Italia, giungono a Sarsina per implorare la salute e il conforto.
All'interno della cattedrale operano alcuni sacerdoti a cui compete l'esecuzione degli esorcismi. Al di sopra dell'altare è posta la pala di San Vicinio, raffigurante la Madonna con il Bambino e San Vicinio incoronato, opera di Ippolito Scarsella detto lo Scarsellino (1550 ca - 1620).
Lungo le pareti sono collocati i dipinti votivi, dedicati ai miracoli di San Vicinio descritti da un antico lezionario del XII sec. e realizzati da Michele Valbonesi tra il 1755 e il 1760: il ritrovamento della catena di San Vicinio nel Savio; la guarigione di una indemoniata ad opera di San Vicinio; apparizione della Vergine a San Vicinio eremita; la punizione di una mugnaia che aveva offeso San Vicinio. Ammirevoli sono anche sulla sinistra del presbiterio, l'ambone in marmo, opera del XII sec. (raffigurante i quattro evangelisti con i loro simboli) e una lastra marmorea del X secolo, proveniente dalla Badia di San Salvatore in Summano. Essa rappresenta il Cristo tra gli arcangeli Gabriele e Michele.