L'ancienne église-cathédrale de Vaison-la-Romaine est située dans la ville haute dominée par l'ancien château des Comtes de Toulouse, forteresse médiévale protégeant le bourg castral ceint de remparts. Elle se trouve à l'Est de l'escarpement rocheux. Orientée Nord-Sud (abside au Sud), elle est ancrée sur le rocher et englobe à sa base l'ancien rempart.
L'édifice se compose d'une nef de quatre travées d'inégale longueur voûtées d'ogives et d'un choeur pentagonal couvert d'une voûte d'ogives sexpartite. Quatre chapelles latérales diversement voûtées ouvrent à l'Est et à l'Ouest dans chaque travée de la nef. Une tribune supportée par un tambour est accolée au revers de façade. Une sacristie couverte d'une voûte plein cintre communique à l'Est avec le choeur et avec un réduit en ruine à l'Ouest. Un clocher de plan carré s'élève au-dessus de la troisième chapelle latérale Ouest.
