Em 1424 iniciaram-se as obras da então igreja do antigo convento de S. Domingos, mas com a nacionalização dos bens monásticos em 1834 e com a deflagração de um terrível incêndio em 1897, as antigas instalações conventuais foram praticamente destruídas. Salvou-se o templo que mais tarde em 1922 e por ordem do papa Pio XI, elevaria Vila Real a diocese e a igreja passaria a ser Sé Catedral.
Este monumento é particularmente notável pelo seu conjunto de capitéis esculpidos, de vigoroso naturalismo e pelos arcossólios góticos onde jazem diversos membros da nobreza local. Pode-se ver na parte frontal do templo elevarem-se dois poderosos contrafortes que demarcam as naves, entre os quais avança ligeiramente o corpo onde se rasga o bonito mas singelo portal gótico. Uns metros acima abre-se um largo óculo, provavelmente uma rosácea. A porta lateral do lado Norte é do mesmo tipo, mas mais simples, a porta do lado Sul é formada por um arco redondo com invulgar moldura de almofadadas em ponta de diamante.
A sólida igreja que apesar de gótica mantem um acentuado cunho românico, viria a sofrer algumas alterações no século XVIII e em 1755 foram realizadas obras de onde saíram algumas modificações na estrutura da cabeceira, passando a sacristia e a capela-mor a ostentarem uma ornamentação exterior de estilo rocaille, igualmente patente na imponente nova torre sineira que foi adossada ao seu flanco sul.
O visitante pode ver que o interior tem a sua cobertura em madeira e é igual a outros modelos de igrejas da época. Três naves com o mesmo número de tramos e transepto saliente, sendo aquelas delimitadas por arcadas longitudinais de arcos quebrados. Todos eles sustentados por enormes pilares com colunas embebidas e arestas cortadas por chanfraduras côncavas. A iluminação do templo completa-se com um clerestório e pequenas frestas nas paredes das naves laterais.
Na capela-mor, do recheio com que então foi apetrechada, ainda se conserva parte do cadeiral de pau-preto, este amputado durante as obras de restauro e onde durante as quais se efetuou igualmente a substituição do retábulo de talha por outro, de maior pendor clássico e mais adequado à sua reconquistada austeridade.
Nas enormes paredes encontram-se vários arcossólios góticos, onde o que mais se destaca aos olhos do observador é o que contém o túmulo de Diogo Afonso e de sua mulher Branca Dias, com um belo arco quebrado de espelho trilobado e arca assente em leões de pedra.
Mas o que causa maior espanto e admiração é o notável conjunto de capitéis decorados com grande variedade de motivos antropomórficos e fitomórficos. Neles se vislumbram figuras de adorável perfil rodeadas por um emaranhado de folhas, tais como o sacerdote, o guerreiro, o caçador – que espera a sua presa atrás de uma árvore, o vindimador – que colhe as uvas com ternura e o outro que as acompanha até aos cestos das vindimadeiras.
Na sacristia pode-se ver uma pequena tábua quinhentista, ainda bem conservada, que representa a Virgem.