Au IVe siècle, à la suite de l'édit de Constantin, la communauté chrétienne de la ville de Iulia Concordia a organisé la construction d'un premier lieu de culte, la trichora martyrum avec un atrium pavé, et en son centre un loculus cruciforme avec les ossements des martyrs.
L'édifice fut agrandi avec la basilica apostolorum, une basilique à trois nefs qui fut consacrée en 389 et élevée au rang de cathédrale par saint Chromace, évêque d'Aquilée. L'édifice est tombé en désuétude après une inondation en 589.
La construction du noyau le plus ancien de la cathédrale actuelle, constitué d'une seule nef, a commencé au Xe siècle. Ce n'est qu'en 1466 que l'édifice prit structurellement son aspect actuel d'église à trois nefs
Au début du XXe siècle, la façade actuelle a été construite, copie fidèle de la précédente, et la chapelle des martyrs a été ajoutée, avec la crypte où sont conservées leurs reliques. Les signes de cette extension sont visibles de l'intérieur en raison du matériau différent utilisé pour ériger les colonnes supplémentaires, et d'une rainure délibérément laissée dans le mur pour indiquer le point d'interruption de la nef.