و تعتبر من أهم الأبنية التي بقيت داخل السور الدائري للمدينة الأسقفية القديمة في طرطوس، ومن أهم الكنائس اللاتينية الأثرية في العهد الصليبي، وهي متأثرة بعمارة الكنائس البيزنطية المتأثرة بدورها بالكنيسة الشرقية.

تعود الكاتدرائية  للقرن الثاني عشر الميلادي، بنيت على أنقاض معبد فينيقي قديم يعود إلى الفترة الصليبية، فقد وضعت قيد الإنشاء منذ عام "1123" ميلادي، ويعتقد أنها شيدت على أنقاض كنيسة بيزنطية أقدم منها تعود إلى زمن "قسطنطين الكبير" عام "346" ميلادي.

تقول الروايات أن القديسين "بطرس ولوقا" قد زارا مدينة طرطوس، حيث أقام "القديس بطرس" الذبيحة الإلهية في الموقع و قداساً احتفالياً و كرّس المكان باسم "السيدة العذراء"، وقام "القديس لوقا" برسم أيقونة "السيدة العذراء" في المذبح.
وتذكر بعض الروايات أن "السيدة العذراء" و"القديس بولس" شاركا في بناء كنيسة صغيرة بالقرب منها و اعتبرت "كنيسة طرطوس" أقدم كنيسة في العالم كرّست بأسم "السيدة العذراء" .

وفي عام 387م ضرب مدينة "طرطوس" زلزال مدمر فهدمت الكنيسة و كل ما حولها، و لكن المذبح و الأيقونة بقيا سالمين و قد اعتبر هذا الحادث عجائبياً، وبدأ الناس يتوافدون على المكان لقدسيته وخاصة أنه يحوي مذبح القديس بطرس وأيقونة السيدة العذراء.

بعد احتلال الصليبيين للمدينة في عام 1102م بدؤوا بتحصين المدينة و الاهتمام بها و قد ذكر بعض المؤرخون أن الكنيسة القديمة كانت بسيطة وصغيرة حتى العام 1220م. بعد ذلك تم بناء القسم الأجمل و الأكبر منها و قد ألحقت الكنيسة الصغيرة بالكاتدرائية بعد بنائها، حيث بدأ بناء الكاتدرائية في عام 1130م وانتهى عام 1150م، ثم ضرب الكاتدرائية زلزال مرة ثانية في عام 1177م، وتم اعادة ترميمها.

تحولت "الكاتدرائية" إلى "جامع" عام 1851 م، ثم إلى "ثكنة" عسكرت فيها قطعات الجيش التركي، وفي عام 1920 جعلها الحاكم الفرنسي "مأوى للاجئين"، وفي عام 1922 م ألحقت بمصلحة الآثار السورية وتحولت إلى "متحف طرطوس" عام 1956م وحتى اليوم.

تمتاز "كاتدرائية طرطوس" بهندسة معمارية فريدة جعلتها مناسبة لجميع الحقب التاريخية حيث استحوذت على مساحة أبعادها أربعين متراً في الطول وأربعة وثلاثين متراً ونصف المتر في العرض وسبعة عشر متراً في الارتفاع، ويتراوح ارتفاع كل مدماك (أي صف من الحجارة) من مداميكها بين 30-50 متر.

وتتألف من ثلاثة أروقة مقببة بقناطر نصف أسطوانية حادة الانسيابية تمتد نحو الشرق برواق قصير ينفتح على صدر الكنيسة بعد قبة نصفية، ويوجد في كل ضلع من الأروقة الجانبية نافذة تنير صحن الكنيسة المركزي ومن الشرق نافذة المحراب، ومن الغرب ثلاث نوافذ، العليا من بينها أصغر من الاثنتين الباقيتين.

وفي القرن الثالث عشر أحدثت نوافذ في القبة العليا منها مقامة في الجدار المتراجع بحيث يشكل ممر ضيق يسمح بالمرور بواسطة سلم ثنائي ذي بضع درجات من طرف البناء إلى الطرف الآخر، وتأخذ الركائز شكل الصليب مع الأعمدة على الجوانب ودعامات السقف المزدوجة ويبرز إطار نافر على طول الجدران الشمالية والجنوبية كما في المحراب، وعلى القسم الأكبر من جدران الأروقة الجانبية نجد شريطاً مزخرفاً يمر تحت متكأ من النوافذ.