Según la tradición contada por el historiador del siglo XVI Giovanni Francesco Fara, Orzocco I de Lacon-Zori trasladó de Tharros a Oristano la capital del juzgado (distrito sardo) de Arborea en 1070. Desde 1131, se documenta la "ecclesia sanctae Mariae de Orestano", antigua catedral. La estructura románica data entre finalees del siglo XI y principios del XII. Es probable que tuviera planta de tres naves, con ábside al sureste y septos divisorios constituidos por ocho columnas cada uno, ya que son dieciséis los fustes de mármol gris que se conservan. En la primera treintena del siglo XIII, cuando era soberano Mariano II de Lacon-Gunale, la iglesia fue parcialmente reconstruida. El arzobispo Torgotorio de Muru encargó el techo y las puertas de madera al maestro Placentinus, que en 1228 firmó las aldabas de bronce. Hacia la mitad del siglo XIV, al aula de tres naves se añadió un transepto, con cuatro capillas que flanqueaban, dos a cada lado, el presbiterio cuadrangular. En la capilla llamada del Remedio o del Santísimo, se encuentra la inscripción funeraria de Filippo Mameli, fechada en 1348, que marca el terminus ante quem de la reestructuración según las formas gótico-italianas. Las preocupantes condiciones de la iglesia llevaron a su reestructuraciónen el siglo XVIII. A raíz de una resolución del Capítulo de Arborea, convocado por el obispo Antonio Nin el 4 de mayo de 1729, se comenzó a trabajar en la demolición de las viejas estructuras románicas y góticas. Las obras fueron asignadas al cagliaritano Salvatore Garrucciu, que diseñó, antes de la destrucción total del complejo, una estructura de tres naves. También se presentó un segundo proyecto del ingeniero piamontés Antonio Felice De Vincenti, que incluía un aula de una sola nave. Después de un par de años, Garrucciu murió y las obras fueron confiadas al algherese Giovanni Battista Ariety, quien siguió al segundo proyecto, conservando algunas estructuras del transepto gótico y el llamado "Archivietto", de planta cuadrada, construido entre 1622 y 1626 con la función de capilla presbiterial, para extender longitudinalmente el coro gótico. Es una de las estructuras arquitectónicas más importantes del segundo plateresco en la isla, en la que conviven armoniosamente el clasicismo italiano y la tradición gótica. En 1745, la iglesia fue consagrada de nuevo. En el siglo XIX se abrieron las dos capillas en los extremos del transepto. La planta es de cruz latina, con una amplia nave con bóveda de cañón, sobre la que se abren tres capillas por lado. El ábside es rectangular. En la intersección con el transepto, un amplio tambor octogonal sostiene la cúpula coronada por una linterna. En el exterior, el edificio deja ver las distintas superposiciones de estilos, debidas a las diferentes reconstrucciones. En el lado izquierdo, se encuentra el campanario de planta poligonal, colocado sobre una base alta.