La cattedrale di San Lorenzo risale ad un progetto di Fra Bevignate, iniziato nel 1345; la decorazione esterna, una trama geometrica di rombi in marmo rosa e bianco (prelevati dalla Cattedrale di Arezzo) non fu mai completata, ed occupa oggi solo la parte inferiore della fiancata. La decorazione degli interni venne completata nel diciottesimo secolo con l'aggiunta di pitture, stucchi, dorature e marmi.
La facciata principale è rivolta verso piazza Danti ed è impreziosita da un portale in stile barocco progettato da Pietro Carattoli nel 1729. Il muro esterno è a vista e si possono scorgere i ganci portanti di un previsto rivestimento in marmo, mai apportato.
Diversamente dall'usuale, la cattedrale ha la fiancata laterale rivolta verso la piazza principale della città, affacciata sulla Fontana Maggiore e sul Palazzo dei Priori. Tale lato è caratterizzato dalla Loggia di Braccio, commissionata da Braccio da Montone nel 1423, una struttura proto rinascimentale attribuita a Fioravante Fioravanti da Bologna. Sotto la loggia è possibile vedere parte di un muro romano, le fondamenta del vecchio campanile e la Pietra della Giustizia, che riporta un'iscrizione del 1264 attraverso la quale il Comune annunciò che tutto il debito pubblico era stato cancellato.
Il campanile originale fu distrutto nel 1371 dall'abate di Monmaggiore quando collegò la fortezza di Porta Sole ai palazzi di piazza. Era a tre ordini di finestre con un gallo di bronzo sulla sommità.
La torretta attuale è opera dell'architetto perugino Valentino Martelli (1606-1612).
Al suo interno vi sono 4 campane di differenti epoche e fonditori: la maggiore è del 1680 dei Petruccius eugubini (dinastia che aveva già realizzato la seconda maggiore di San Rufino ad Assisi); la seconda (chiamata la "Lunga" perché un tempo suonava ogni mezzora per indicare il mattutino) è datata 1769, opera del perugino Nicolaus Agostini; la terza, non firmata, risale al 1449; la minore venne fusa nel 1390 da Iacobus Ienuensis (quest'ultima veniva chiamata "Schilletta" o "Scrilletta").
Sia il Rinterzo che il Falsetto, come vuole la più stretta tradizione perugina, sono eseguiti rispettivamente con prima e seconda campana a bicchiere accompagnate dallo scampanio di 2 delle 3 campane rimanenti (2ᵃ-3ᵃ nel primo caso, 1ᵃ-3ᵃ nel secondo).
Se pur potrebbe suscitare dubbi l'intonazione dei bronzi in questione è da apprezzarne il valore storico nonché la ritmica degli scampanii elettro-meccanici, tra i migliori della città.