Di questa prima chiesa rimangono numerosi frammenti scultorei, come gli eloquenti resti del ciborio dedicato a San Leone, alcuni capitelli con caratteristici motivi fitomorfici ed i leoni alati del protiro (dimezzati ed assemblati a sostenere una colonna della navata).
Non siamo a conoscenza delle cause che portano gli uomini del XII secolo ad erigere una nuova cattedrale (un’iscrizione afferma perentoria la data di riconsacrazione, (1173).

Il Duomo ‘nuovo’ è opera di maestranze romaniche guidate da architetti (o capo-mastri) emiliano-lombardo:

Il paramento murario è interamente composto di arenaria. Le murature perimetrali esterne sono scandite da lesene semicircolari e recano al culmine un’archeggiatura pensile che corre interrotta sotto il cornicione.

Non v’è ingresso in facciata, come nell’adiacente Pieve dell’assunta, ma il portale è aperto su un fianco ed è sormontato dei busti scolpiti di San Leone e di San Valentino, anch’essi provenienti della chiesa antica (probabile dalla recinzione presbiterale).

La pianta della chiesa si sviluppa intorno ad una croce latina, affiancata da due navate minori, divise in quattro campate; il transetto pausa lo spazio prima dell’alto presbiterio triabsidato, innalzato su un’ampia cripta a sua volta suddivisa in cinque navatelle.

Nell’abside della cripta era collocato il sarcofago con le spoglie di San Leone, del quale si conferma il coperchio con l’iscrizione, datato al VI secolo: esso era certamente meta dei pellegrini che abbandonando la costa s’inoltravano nell’Appennino passando per San Leo alla volta di Roma.

La chiesa conserva un eccezionale corredo scultoreo che annovera, oltre ai capitelli corinzi del III secolo (d.C.), numerosi capitelli romanici variamente figurati, i più antichi dei quali rappresentano icasticamente i simboli del cristianesimo primitivo.