Le plan de la cathédrale se caractérise par une relative simplicité. Elle forme une nef unique comportant huit travées d'une portée remarquable, et bordée par plusieurs chapelles latérales. Celles-ci sont surmontées de roses qui furent rajoutées par Viollet-le-Duc. Le chœur du sanctuaire est formé d'une abside à sept pans, sur laquelle viennent se greffer deux absidioles. Il est percé de plusieurs larges baies de style ogival, renfermant des vitraux datant du XIVe siècle qui furent minutieusement restaurés par le maître-verrier Alfred Gérente, peu après l'incendie de 1849.

La nef est couverte de voûtes ogivales qui furent montées de 1657 à 1752, en remplacement d'une charpente apparente, tandis que les voûtes du chœur datent du XIIIe siècle. La façade, assez sévère, n'a pour seul élément de décoration qu'une grande rosace de 8 mètres de diamètre, comme nombre d'églises de la région, à commencer par la cathédrale Saint-Nazaire. Elle est flanquée d'un clocher assez massif formant une base rectangulaire sur trois étages, avant de passer à un modèle octogonal à son sommet. Le clocher renferme huit cloches de volée.
La cathédrale Saint-Michel est classée monument historique depuis le 12 juillet 1886 et les terrains environnants classés le 2 août 1926.
Elle bénéficie depuis 2009 d'une importante campagne de rénovations à la suite du plan de relance initié par l'État.

Cet orgue, construit par Aristide Cavaillé-Coll, a été construit en 1860, en remplacement d'un orgue installé en 1687 par Jean de Joyeuse (et dont le buffet a été reconstruit pour la collégiale Saint-Hippolyte de Poligny, dans le Jura).
L'orgue a été inauguré par Louis James Alfred Lefébure-Wély.
Son buffet en chêne, dessiné par Eugène Viollet-le-Duc, est dans le style néo-gothique, sans réelles tourelles et surmonté de treize statues grandeur nature figurant Saint-Michel terrassant le dragon entouré d'anges musiciens. Il est sans buffet de positif.
Il possède 44 jeux sur 3 claviers manuels et pédalier. Les transmissions sont mécaniques.
Des restaurations ont eu lieu en 1929, 1937, 1963 et une complète en 1998 par la Manufacture languedocienne de grandes orgues, de Lodève.
Il est classé aux Monuments Historiques en 1993.
Le clocher abrite une sonnerie de 8 cloches de volée.
Les six plus grosses ont été fondues en 1969 par la fonderie Bollée d'Orléans. Les deux plus petites (André et Pierre) ont été fondues en 1995 par la fonderie Cornille-Havard de Villedieu-les-Poêles :

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