La Cattedrale è il grande tempio dedicato a Sant’Agata, e rappresenta il centro della vita religiosa dei catanesi. Fu edificato tra il 1078 e il 1093 sul sito di antichi bagni romani: le terme Achilliane. La città antica, infatti, era ricca di acqua. Al centro della città, al posto della Via Etnea, scorreva un fiume, ora sotterraneo, l’Amenano. I Romani avevano costruito un imponente acquedotto che convogliava in città le acque provenienti da una sorgente di Santa Maria di Licodia, un paesino ad una ventina di Km da Catania. La città, ai tempi dei Romani, ebbe almeno tre complessi termali, di cui il meglio conservato è quello detto della Rotonda, una sala circolare, sormontata da una cupola, che nel corso del VI secolo, fu trasformata in una chiesa. Sempre in una chiesa erano state trasformate le terme dette dell'Indirizzo, (IV - V secolo d.C.) di cui sono ancora visibili gli impianti di riscaldamento delle acque. Le terme Achilliane erano forse le più grandi della città, furono costruite agli inizi del III secolo d. C. dal governatore di Sicilia, Lusio Labieno, ma oggi risultano di difficile accesso, in quanto parzialmente sottostanti alla Cattedrale.

Dell'antico tempio-fortezza, sorto per volontà del Conte Ruggero e dell’arcivescovo Angerio, rimangono le imponenti torri absidali, in blocchi di pietra lavica squadrata. Colpito da un terremoto nel 1169 e da un incendio nel 1194, il Duomo fu restaurato, secondo le forme che ancora oggi vediamo, nell’abside e nel transetto. Gravemente danneggiato dal grande terremoto del 1693 fu in un primo tempo aggiustato alla meglio con tavole, come ci tramandano gli storici locali. Nel 1709 Girolamo Palazzotto iniziò la ricostruzione rispettandone l'originaria partitura a tre navate, si era deciso infatti di riedificare la chiesa nello stesso sito per sfruttare le strutture risparmiate dal terremoto e cioè le absidi e il transetto della chiesa normanna, parte delle fondamenta e della muratura. Larghezza e altezza della nuova chiesa erano così determinate da quelle preesistenti. II problema della facciata, che risultava sproporzionata rispetto al gusto barocco dell'epoca venne risolto tra il 1730 e il 1761 da G.B. Vaccarini, che progettò un gioco architettonico movimentato e ricco di chiaroscuri, di colonne libere che reggono cornici spezzate.

La cupola, posta su di un tamburo piuttosto alto, fu realizzata da Carmelo Battaglia Santangelo verso la fine del secolo, mentre il campanile, freddo e accademico, fu costruito da Carmelo Sciuto Patti nel 1868.