En dehors du castrum, Saint-Bénigne était à l'origine l'église abbatiale d'un monastère fondé au VI^e siècle en raison du culte de Saint-Bénigne, qui aurait été le premier apôtre et martyr de la ville.

La première basilique fondée sur la crypte et dédiée en 535 fut reconstruite en 870, puis une seconde fois en 989 par le nouvel abbé Guillaume de Volpiano. Elle était considérée alors comme l'un des plus beaux monuments de l'époque romane avec sa rotonde établie sur la crypte du tombeau, et dont les étages furent malheureusement détruits à la Révolution.

L'édifice gothique actuel, commencé en 1280 est achevé au début du XIV^e siècle. La rapidité de sa construction en fait une église très homogène, d'une belle unité de style. A la Révolution, l'abbatiale devint église cathédrale ; elle l'est restée. En 1794, on martela les statues et le tympan du portail roman. Il fut remplacé sous l'Empire par celui de l'ancienne église cathédrale Saint-Etienne.

Saint-Bénigne dominait un immense enclos abbatial. De cet ensemble, seuls subsistent un cellier voûté d'arêtes et le splendide dortoir à trois nefs voûtées de puissantes ogives. Après avoir subi diverses restaurations et plus particulièrement l'adjonction plus monumentale de la flèche de cuivre élevée en 1894 au dessus de la croisée du transept par l'architecte Charles Suisse, la cathédrale Saint-Bénigne nous est parvenue sans grand dommages.