La chiesa è inserita nel tessuto storico di città alta, ed è preceduta a sud da piccolo sagrato delimitato da pilastrini in granito con barre e catene. La facciata è molto semplice e presenta, dopo gli ultimi restauri, un primo ordine in pietra arenaria concluso da un cornicione in pietra di Zandobbio; sopra esso un secondo ordine, suddiviso da quattro lesene corinzie di muratura in tre settori pressoché uguali, in quello centrale è presente una finestra ad arco, nei laterali due specchiature. Un timpano triangolare conclude la facciata. Nel primo ordine, al centro, vi è un portale ad arco in pietra con lunetta affrescata; sotto i due settori laterali vi sono due ingressi minori completi di contorno in pietra di Zandobbio. Da questi tre ingressi, scendendo di quattro gradini, si accede, attraverso una bussola in legno di noce, al vano della chiesa, che si presenta ad una sola navata con cinque cappelle per parte, piuttosto profonde. Cinque grandi finestre per parte con relative strombature di raccordo alla volta, al di sopra del cornicione, danno luce alla navata.
1357 – Una prima chiesetta già dell’Ordine degli Umiliati, poi passata ai Carmelitani nel 1357, venne da questi ampliata nel 1450 e benedetta nel 1453 dal Vescovo Barozio. Ma il completamento della chiesa si realizzò alcuni decenni dopo con la consacrazione del Vescovo Lorenzo Gabrieli, ricordata dal Calvi sotto la data 1489.
1523 – la famiglia Licini fece erigere la seconda cappella di sinistra titolata ai santi Giacomo e Filippo con il vincolo di sporgere non oltre 3 braccia alla pari delle altre cappelle già realizzate.
1575 – il presbiterio fu oggetto di riforma: a quest’epoca sono ascrivibili le aperture sulle pareti del coro e la decorazione pittorica della parete di fondo, retrostante l’organo
1601 – accanto alla cappella di S. Caterina, la scuola della Beata Vergine realizzò e decorò con pitture e stucchi la cappella della Madonna del Carmine.
1622 – vennero sostituiti i gradini d’ingresso della porta maggiore, presumibilmente in mattoni, con pedate in marmo bianco
1627 – importante intervento sul presbiterio: l’organo fu spostato in fondo al coro e la nuova collocazione permise di realizzare la terminazione poligonale della parete sostenuta da doppie colonne ioniche
1641 – venne installato un pulpito ligneo nel punto mediano della navata
1719 – in questo periodo avviene una profonda trasformazione della chiesa dove il sopralzo e la realizzazione della grande volta impongono aggiustamenti sia sui piloni di sostegno sia sulle pareti laterali. La consueta copertura interna del tetto in vista venne invece totalmente rifatta con la grande volta eretta nel 1730 quando furono anche eseguite in facciata le due porte laterali. Il progetto coinvolgerà proprietà limitrofe, prontamente acquistate, in modo da permettere attraverso la loro demolizione la costruzione delle cappelle terminali, la ridefinizione dell’ingresso, nonché di perfezionare la facciata della chiesa che sarebbe restata molto deforme con la nuova sporgenza delle cappelle.
1807 – vennero eseguiti lavori di sistemazione del coro, venne inoltre rinnovato il pavimento dell’aula posando un nuovo lastricato di mattoni: l’intervento comportò il livellamento del suolo, sconnesso e pieno di lapidi.
1837 – venne riparata l’intera copertura
1851 – la chiesa, grazie ad un sostanzioso lascito, fu sottoposta ad un totale rifacimento degli interni con nuova finitura lucida a finto marmo sulle pareti ed arricchita da damaschi e arredi.
1883 – la facciata settecentesca fu riformata su disegno del pittore Alessandro Fiorani secondo canoni rigidamente classicisti. Venne così reimpostata l’architettura con 4 nuove lesene, dotate di basi e capitelli e demolendo quelle esistenti, a reggere l’ampio timpano triangolare. La nuova impostazione del fronte determinò l’allargamento dei due fianchi della porta maggiore per sostenere il basamento delle lesene.
1902 – rifacimento integrale della pavimentazione del sagrato
1954 – vengono eseguiti lavori di manutenzione straordinaria al campanile.
1954 – venne eseguita la ricorritura del tetto della chiesa e del campanile
1967 – nel 1967 la Parrocchia di S. Agata nel Carmine venne soppressa ed annessa a quella della Cattedrale.
1997 – sul lato occidentale vengono realizzati nuovi ambienti di servizio alla chiesa e l’accesso all’organo