Dell'antichissima basilica paleocristiana di Pola si conservano ancora resti di pavimentazione musiva risalenti al V° secolo. Nella posizione sopraelevata del santuario si vedono i resti di un ordito di cerchi grandi e piccoli, con la fascia orlata di fiori di loto che avvolge la rotondità del banco sacerdotale. Dietro il santuario, sul lato destro, vi è una composizione di rosette con croci greche; i due ultimi campi risalgono al VI° secolo. Il santuario con il colonnato ed i capitelli sono coevi dei mosaici. Pare che la basilica di S. Maria Assunta sia stata incendiata nel medioevo e ciò risulta da alcune pietre annerite trovate negli scavi successivi. Ciò potrebbe essere avvenuto nel 1242 con il sacco dei Veneziani, meno probabilmente nel 1380 con l'assalto dei Genovesi. 
Certo è che l'ammiraglio genovese Pietro Doria, durante il saccheggio della città, si impossessò delle due magnifiche porte di bronzo della basilica, un lavoro bizantino del IX° secolo, e le portò a Genova dove le donò e le fece sistemare nel tempietto di S. Giovanni situato nella chiesa di S. Giorgio a Genova. Dopo l'incendio della basilica i capitelli bizantini furono sostituiti con capitelli gotici e furono chiusi i muri laterali dell'abside. Alla fine del XIV° secolo la basilica era comunque in uno stato di grande deterioramento. 

Sulla vecchia basilica fu riedificato il duomo dal vescovo Biagio Molin nel 1417, come ricorda un'iscrizione. Fu allora che vennero sotterrati cippi di colonne, formelle e pezzi di pavimenti musivi.
Nel 1456 venne riedificato il corpo centrale, come si presenta attualmente mentre la facciata odierna in stile tardo rinascimentale risale al XVI° secolo. Il duomo fu nuovamente restaurato nel 1640 dal vescovo Giulio Saraceno e quindi nel 1716 da quel "seppellitore di lapidi" come venne chiamato il vescovo Giuseppe Maria Bottari, che seppellì nella costruzione del campanile un grande numero di epigrafi e lapidi storiche. Il bel portale rinascimentale sulla facciata meridionale risale pure al tempo della riedificazione del XVII° secolo e proviene dall'abbazia benedettina di S. Michele in Monte presso Pola, caduta in abbandono. Riporta l'anno 1457.

Il duomo, situato in riva al mare, nel suo aspetto odierno è una costruzione romanica senza grandi varianti e rivela tutte le fasi della sua costruzione. Ora è una basilica di grandi dimensioni: 50 metri per 25. E' divisa in tre navate da due file di colonne che vanno a saldarsi con le navate dell'antica parte absidale. I capitelli romani della navata di destra ora servono da acquasantiere, mentre un sarcofago del III° secolo è trasformato in altare maggiore.
Il duomo fu colpito ancora una volta da un incendio, nel 1923. I successivi restauri terminarono nel 1926 e portarono alla trasformazione del presbiterio con la scoperta della parete semicircolare di fondo. L'antica abside, valorizzata dagli interventi della Soprintendenza di Trieste, è l'unico esempio di un'abside rettangolare divisa in tre navate. Nel giugno 1944 una bomba d'aereo distrusse il grande arco trionfale ed il lato sinistro della parte presbiteriale. I rifacimenti per
il ritorno dello stato originale iniziarono nel 1945 e furono portati a termine nel 1947. Il duomo di Pola fu elevato a rango di Cattedrale nel XV° secolo e risulta già
in esercizio nel 1428.