La cathédrale, issue d'un monastère bénédictin fondé au 7e s., arbore deux tours carrées solennelles (18e s.) qui contrastent avec un beau portail roman. Dynamitées en novembre 1944, les voûtes et les parties orientales ont été rebâties à l'identique. Les piles de la nef romane sont couronnées de beaux chapiteaux sculptés. Des vitraux fin 13e s. relatent des épisodes de la vie de saint Déodat (abrégé en Dié), et des vitraux abstraits ont été ajoutés en 1987 sous la houlette de Jean Bazaine.