È tra le più grandi basiliche della città; inoltre, ospita il battistero più antico d'occidente (Battistero di San Giovanni in Fonte). Il tempio sorge lungo il lato est di via Duomo, in una piazzetta contornata da portici. Nel XIII secolo fu iniziata la costruzione dell'edificio sacro inglobando le precedenti strutture paleocristiane del Battistero di San Giovanni in Fonte e della Basilica di Santa Restituta; per la progettazione e costruzione del complesso vennero chiamati architetti di estrazione francese su volontà del sovrano Carlo II di Napoli. Il secolo successivo fu un periodo difficile, sia per la peste che per i terremoti che afflissero la città: infatti, durante un terremoto del 1349, crollarono il campanile e la facciata e successivamente, agli inizi del XV secolo, venne innalzata la nuova facciata gotica. Tuttavia, a metà del secolo, un altro terremoto danneggiò gravemente la cattedrale, facendo crollare alcune parti della navata, che in seguito fu però ricostruita.
Tra il Quattrocento e l'Ottocento il duomo venne notevolemente abbellito. Tra il 1497 e il 1508 fu realizzata la Cappella del Succorpo, con decorazioni di Tommaso Malvito; dopo un secolo Francesco Grimaldi innalzò, di fronte alla Basilica di Santa Restituta, la Reale Cappella del Tesoro di San Gennaro in seguito al voto fatto dai partenopei al santo durante la pestilenza del 1526; nel 1621 il tetto a capriate venne coperto da un cassettonato in legno. Nel 1688 e nel 1732 furono ricostruite le parti piu danneggiate dai terremoti: al 1688 si attestano gli interventi barocchi che caratterizzarono notevolmente le cappelle con sgargianti decorzioni marmoree e in stucco, mentre nel 1732 vennero ricostruiti l'abside ed i transetti. Nel 1788, un ulteriore restauro apportò modifiche sulla navata, realizzando una specie di revaival gotico con influssi settecenteschi. Per esigenze estetiche fu quindi bandito un concorso per la facciata, che fu realizzata in un pregevole neogotico dal vincitore del concorso Enrico Alvino.
Durante il secondo conflitto mondiale, i bombardamenti alleati danneggiarono le strutture e pertanto, tra il 1969 e il 1972, vennero effettuati restauri e consolidamenti strutturali all'intero edificio; durante gli scavi vennero portati alla luce resti archeologici romani, greci e altomedioevali che oggi sono raccolti negli Scavi archeologici del Duomo. Uno dei più recenti restauri è stato apportato al Succorpo e ha permesso il recupo del cassettonato marmoreo del Cinquecento.
L'attuale facciata fu rifatta in stile neogotico da Enrico Alvino alla fine dell'Ottocento, ma conserva il portale quattrocentesco di Antonio Baboccio, che riutilizzò alcune sculture di Tino da Camaino. Dotata di tre portali e caratterizzata da altrettanti grandi finestroni ogivali, è sormontata da svettanti cuspidi e guglie.
Nel 1999 il Duomo di Napoli ha subito numerose opere di manutenzione straordinaria; l'architetto Atanasio Pizzi ha realizzato il rilievo della facciata principale, del casettonato ligneo, della navata centrale e del transetto in scala 1/1.
L'interno, a pianta a croce latina con cappelle, è lungo circa cento metri e la navata è intervallata da una sequenza di otto pilastri per lato, in cui sono incorporati fusti di antiche colonne romane su i quali poggiano gli archi ogivali decorati a stucco e marmo.
Il soffitto a cassettoni intagliato e dorato ospita tele di Fabrizio Santafede e Girolamo Imparato. Sulle pareti della navata ci sono dipinti di Luca Giordano, mentre sui sedici pilastri della navata sono sistemate le edicole con i busti dei vescovi della città, scolpiti tra il Seicento e il Settecento. Sulla controfacciata sono collocati i sepolcri dei sovrani angioini, così disposti da Domenico Fontana nel 1599.
Sotto l'arcata sinistra c'è la fonte battesimale secentesca, che riutilizza una vasca di basalto egiziano di epoca romana, sulla quale è posto un gruppo bronzeo raffiguarnte il Battesimo di Gesù.
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