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Esempio di Cattedrale suburbana, sorta su una preesistente ecclesia di età bizantina intitolata all'Arcangelo Michele, il Duomo della Vergine Assunta presenta oggi parte dell'annessa area funeraria dell'antica chiesa. 

Il primo documento attestante l'esistenza della chiesa intitolata a Santa Maria datato 20 febbraio 1192. Nell'anno 1195 la Cattedrale e l'intera città furono incendiate e saccheggiate dalle truppe del giudice di Cagliari Guglielmo de Lacon-Massa. 
Il Duomo fu gravemente danneggiato durante l'occupazione militare della città, e nel 1228 iniziò la ricostruzione. Sono testimoni di quest'opera la costruzione a sesto acuto, documenti scritti e due picchiotti bronzei del portale. Nella prima metà del XIV secolo l'impianto romanico della Cattedrale subì delle modifiche: risalgono a questo periodo la cappella del Rimedio e quella oggi adibita a Battistero, insieme ad altre cappelle. Farebbero parte dell'ampliamento del 1300 il transetto e la prima cella campanaria, la cui cupola in maiolica colorata fu aggiunta solo nel secolo XVIII. Nel Testamento del re Ugone II d'Arborea, datato 4 aprile 1335, il sovrano menziona il luogo dove voleva essere seppellito: nella chiesa della Beata Maria Vergine di Oristano e precisamente nella cappella di San Bartolomeo, ancora da terminare, che avrebbe dovuto accogliere le sepolture sia dei suoi predecessori che quelle dei suoi successori. 

Ulteriori ampliamenti sarebbero stati condotti tra il 1336 e il 1349, come induce a credere la tomba del giureconsulto Filippo Mameli, morto nel 1349. 

Durante un'invasione di milizie francesi, avvenuta il 25 febbraio 1637, la città di Oristano, le chiese e in particolare il Duomo, furono saccheggiate e gravemente danneggiate. 

Con l'arrivo delle truppe sarde da Cagliari e da Sassari, i soldati francesi decisero di abbandonare la città il 28 febbraio per reimbarcarsi. Inseguiti dai militari sardi, i francesi lasciarono nelle loro mani due pezzi d'artiglieria, undici battelli, trentasei prigionieri e otto stendardi, quattro dei quali sono conservati nella parete dell'ingresso principale della Cattedrale di Oristano. 

Il Duomo attuale, costruito all'interno secondo gli schemi di un elegante barocco piemontese negli anni 1729-1745, custodisce la cappella con le reliquie di Sant'Archelao, patrono della città e della diocesi.