La costruzione attuale è frutto dei lavori portati a termine da Alessandro Antonelli a metà Ottocento, ma lasciati incompleti; dal quadriportico medievale della Canonica, collocato sul retro dell’edificio, gli archi appena accennati danno un’idea della restante porzione di struttura (mai realizzata) che avrebbero dovuto sostenere.
L’idea di rinnovare radicalmente l’antico duomo si fa strada già durante il Settecento, ma viene accantonata per motivi finanziari, più che per la volontà di preservare la struttura medievale.
Un primo lotto di lavori è portato a termine nella zona presbiteriale già negli anni Trenta dell’Ottocento, e vede coinvolto anche l’Antonelli: l’architetto, appena trentaquattrenne, ottenne la commissione per il maestoso altare maggiore (1832-1836), ancora oggi in loco. All’imponente struttura, vero e proprio fulcro visivo della cattedrale, collabora anche il danese Bertel Thorwaldsen (1770-1844), uno dei più celebri scultori dell’epoca. Il progetto assicura all’architetto il favore dei canonici che vent’anni più tardi non esiteranno ad approvare, undici voti a due, la sua proposta di radicale rifacimento della cattedrale.
La decisione di demolire il duomo romanico darà vita ad una spaccatura tra i ‘modernisti’ e coloro che invece vorrebbero salvaguardare l’edificio; l’antica struttura manifesta comunque non pochi problemi di conservazione e le difficoltà da affrontare per restaurarla sembrano enormi. In quel periodo, poi, si è impegnati in un’autentica "messa a nuovo" del centro cittadino, e da tanti l’edificio è percepito come ormai antiquato. Alla fine, il "partito del nuovo" avrà la meglio, e tra il 1857 ed il 1869 verrà realizzata la nuova cattedrale. La consacrazione ha luogo nel 1869, ma di fatto si lavorerà fino agli anni Ottanta per giungere al completamento dell’allestimento interno.
Coloro che oggi visitano il Duomo vengono accolti dal quadriportico realizzato dall’Antonelli tra il 1857 ed il 1863, e che in parte sembra soffocare l’imponente facciata. La loggetta posta a coronamento del prospetto principale è stata voluta dai canonici, che riusciranno a convincere l’architetto circa la bontà della loro idea.
Il pronao, che non verrà mai completato con le tre statue ed il fregio proposti dall’architetto, presenta quattro imponenti colonne; le due più esterne sono state progettate vuote e funzionano in sostituzione dei doccioni.
Il grandioso portale sarà eseguito dal figlio di Antonelli, Costanzo, nel 1890; alcuni sostengono che sia il più imponente d’Europa.
All’interno, lo spazio è suddiviso in tre navate da dodici colonne realizzate in stucco lucido che simula il marmo, coronate da capitelli corinzi. Alcuni storici hanno colto la somiglianza tra le sezioni costruttive della navata della cattedrale novarese e il Pantheon di Parigi, opera che Antonelli certamente conosceva ed apprezzava.
Nella trabeazione trovano posto ventisette nicchie da cui s’affacciano altrettanti santi novaresi o venerati nella diocesi, che propongono una versione in chiave religiosa di quelle gallerie di "uomini illustri" tanto di moda nell’Ottocento.