Con la llegada de la libertad religiosa en el año 313 d. C., la Gran Sala del foro de Tivoli se convirtió en el centro de la vida cristiana de la ciudad, dirigida por el obispo local, mientras que el culto a Hércules en el templo cercano había llegado a su fin. En los siglos XI y XII, el lugar del antiguo foro quedó cubierto por una basílica de tres naves, construida en el estilo románico local. La basílica fue demolida poco antes de 1650 por orden del obispo de Tivoli, el cardenal Giulio Roma, para dar paso a la construcción de la actual catedral, un edificio de estilo barroco.
El pronaos, en el que se conservan fragmentos arquitectónicos de los dos edificios anteriores, da acceso a la nave barroca de la Catedral. La nave, flanqueada por una serie de capillas laterales, conduce al ábside, paralelo al ábside original de la basílica. Los frescos de la primera capilla lateral de la izquierda son obra de Pietro Berrettini, conocido como Pietro da Cortona. La segunda capilla alberga el magnífico sepulcro renacentista de Angelo Leonini, obispo de Tivoli y pariente del papa León X.
Sobre el altar de la tercera capilla lateral se encuentra un valioso tríptico del Salvador del siglo XII, el «Tríptico del Salvador». Pintado sobre madera en estilo románico-bizantino y enmarcado en el siglo XV con una estructura de plata dorada, representa a Cristo predicando entre la Virgen María y San Juan. Las paredes de la capilla están decoradas con frescos del siglo XVII de Vincenzo Manenti, de Orvinio. El proyecto de la sacristía fue diseñado por Gian Lorenzo Bernini. El gran ábside y la bóveda están decorados con frescos de Carlo Labruzzi y su escuela, y sobre el presbiterio se encuentra un valioso órgano del siglo XVII. La capilla situada a la derecha del presbiterio alberga un grupo escultórico de la Deposición de Cristo de la Cruz, datado en el siglo XIII.
El Redentor y la Cruz están rodeados por la Virgen María, San Juan Evangelista, José de Arimatea, Nicodemo y un ángel. Esta obra maestra del románico, tallada en madera de álamo en un taller local, muestra los primeros rasgos del estilo gótico. Originalmente estaba recubierta de pergamino y telas de colores, aún parcialmente visibles. Fue restaurada por el Ministerio de Cultura italiano entre 1986 y 1988.
La nueva disposición del grupo escultórico se apoya sobre un sencillo pedestal de travertino; el ángel se encuentra sobre la Cruz, coronando la figura de Cristo. Esta colocación libera a las demás figuras de cualquier efecto escenográfico. La rica ornamentación de la verja de hierro forjado de la capilla, realizada en el siglo XVII, incluye la parrilla, instrumento del martirio de San Lorenzo, patrono de la catedral.
La capilla lateral siguiente contiene frescos hermosos y bien conservados de L. Gimignani (siglo XVII) y P. Locatelli (siglo XVIII). Sobre el altar de la penúltima capilla se alza una espléndida estatua de mármol de la Inmaculada Concepción, de la escuela de Pierre Puget, discípulo de Gian Lorenzo Bernini, esculpida en memoria de la peste de 1656, que dejó a Tivoli prácticamente indemne.
En la última capilla cuelgan dos cuadros sobre el altar. El retrato oval de la Mater Dolorosa se atribuye a Guido Reni o a su escuela y data del siglo XVII. El segundo cuadro es una obra del siglo XVI: pintado sobre tabla por Alessandro Casolani, representa el llanto por la muerte de Cristo. De la basílica medieval románica solo se conserva el majestuoso campanario.