La cattedrale fu fondata tra la fine dell'XI e l'inizio del secolo successivo per volere del vescovo Leone. L'edificio medievale fu impostato sulla preesistente basilica paleocristiana. Come si legge nell'epigrafe della facciata, tra il 1359 e il 1374, il vescovo Pietro D'ltri aprì i rosoni e ampliò il transetto. Numerose campagne decorative furono promosse in età moderna. L'incendio divampato nella notte tra il 10 e l'11 luglio del 1911 distrusse tutta la chiesa e gli arredi tranne la facciata, i muri laterali e le absidi. Del ricco patrimonio furono portati in salvo soltanto l'icona bizantineggiante della Madonna della Fonte, patrona di Conversano, e il crocifisso in legno tardo-quattrocentesco, oggi nella navata di destra. Per volere dei vescovi Lamberti, Lancellotti e Falconieri fu restaurata secondo i criteri del "ripristino stilistico", ossia del ritorno alle originarie forme romanico-pugliesi. La facciata divisa in tre sezioni suggerisce la pianta interna a tre navate. Sul prospetto si aprono i portali, quello centrale più monumentale. Il rosone risale al XIV secolo anche se in gran parte rimaneggiato nel Novecento. L'interno si articola in tre navate separate da pilastri con semicolonne addossate. La navata centrale è coperta da un tetto spiovente in legno, realizzato su imitazione di quelli medievali. Dall’arco trionfale a sesto acuto si accede al transetto dove si aprono tre absidi. Su quella di sinistra campeggia un affresco in stile gotico (XIV-XV secolo), scoperto dopo l'incendio del 1911, in cui è probabilmente ritratto il vescovo Pietro d'Itri. Nell'absidiola di destra troneggia il tabernacolo, sormontato da un dipinto cinquecentesco raffigurante la Risurrezione. All'esterno le absidi sono intradossate, nascoste cioè da un muro, su imitazione del modello architettonico della basilica di San Nicola a Bari. All’interno si venerano le immagini dei santi patroni di Conversano: l’icona della Madonna della Fonte e la statua di San Flaviano.