La crypte et l’important cycle de fresques appartiennent à cette phase. Ces dernières ont été découvertes dans le plafond de l’église : elles font d’Aoste, avec les fresques de Saint Ours, l’un des principaux centres d’art ottonien en Europe.
Au cours des siècles la Cathédrale fut rénovée plusieurs fois : au milieu du XI siècle on ajouta deux tours et une abside centrale, durant le XIII siècle on bâtit le déambulatoire, un couloir en anneau autour du chœur. Le chœur élevé, dominé par un crucifix en bois du XIV siècle présente deux rangées de stalles sculptées vers 1460. Deux mosaïques du XII et du XIV siècle, qui représentent les mois de l’année, des animaux réels ou fantastiques ainsi que le Tigre et l’Euphrate, peuvent être admirées sur le sol.
La façade de la Cathédrale remonte à deux périodes différentes : l’atrium, orné de statues et fresques qui représentent la vie de la Sainte Vierge à laquelle l’église est dédiée, fut bâti au cours du XVI siècle, tandis que la façade fut érigée en 1848.
Sur le côté nord de la cathédrale on peut admirer le cloître. C’est un bâtiment à la forme de trapèze, terminé en 1460, qui remplaça un bâtiment du XI siècle. Les chapiteaux sont décorés avec des ornements végétaux et des figures d’hommes et d’animaux, dans d’autres on retrouve le nom des personnes qui ont encouragé sa construction. Au cours du XIX siècle on a détruit la partie sud du cloître pour laisser la place à la Chapelle du Rosaire.
Dans le déambulatoire de la Cathédrale on peut visiter le Musée du Trésor, où on peut admirer quelques œuvres significatives de l’art valdôtain à partir du XIII au XVIII siècle.