Risulta che la costruzione del Duomo sull'area dell'antica pieve avvenne per gradi. La chiesa, costruita secondo il progetto di Giulio Todeschini e dedicata a Santa Maria Maddalena, venne consacrata dal vescovo di Verona nel 1611.
Come avvenne per molti edifici, costruiti in un lungo arco di anni, la realizzazione dell'opera non fu interamente completata secondo quanto era previsto dal progetto. Essa fu certamente condizionata da problemi di natura pratica, molto probabilmente dall'improvviso ridursi delle possibilità finanziarie per una crisi economica.
La facciata
Lo stile classico di Todeschini si collega a quello di Sanmicheli e di Scamozzi. La facciata manifesta già elementi barocchi, richiamando opere famose come la Chiesa del Gesù a Roma del Vignola.
L'interno
L'interno, a pianta basilicale a tre navate, notevole per la sua semplice solennità classica, è uno degli esempi più belli del tardo rinascimento nella provincia di Brescia.
Le sedici bianche colonne di stile dorico sono di marmo di Botticino. La navata centrale è coperta da una semplice volta a botte che, con la sua circolarità, ripete il motivo delle arcate.
Nella navata sinistra v'è la cappella in cui è custodito il SS. Sacramento.
La chiesa è dedicata a Santa Maria Maddalena, una intitolazione che risale a tempi lontani, all'origine della pieve.
Le opere
Nel Duomo v'è un ciclo pittorico dedicato a Maria Maddalena. Ne è autore Andrea Celesti (1637-1714?), uno dei principali rappresentanti della pittura veneta del Seicento.
Nel presbiterio del Duomo, dietro l'altare, al centro, è "La Maddalena penitente consolata dagli Angeli in un momento di estasi".
A sinistra è "La Risurrezione di Lazzaro" ritenuto fratello di Maria Maddalena. La composizione è ragguardevole per la sua struttura: in basso v'è la sequenza semicircolare delle persone fra cui campeggiano Marta, Gesù, la Maddalena e Lazzaro.
A destra è "La cena in casa di Simone il fariseo" durante la quale Maria Maddalena lava i piedi a Gesù e li asciuga con i capelli. Predominano il gusto scenografico e quello della descrizione di un banchetto. Evidente è l'influsso di una grande tela di Paolo Veronese ("Il Convito in casa di Levi", 1573, ora all'Accademia di Venezia).
Sopra le finestre dell'abside vi sono due tele minori, sempre del Celesti.
Il ciclo del Celesti dedicato a Santa Maria Maddalena si conclude con la trionfale "Risurrezione di Cristo" nella controfacciata del Duomo.
Dipinti del Celesti si trovano anche sulle superfici di raccordo tra un'arcata e l'altra dei due colonnati della navata centrale.
Altre opere notevoli si possono ammirare nel Duomo di Desenzano. Nella cappella del SS. Sacramento splende "L'ultima cena" di Gian Battista Tiepolo. La tela fu eseguita all'incirca nel 1738.
Questo dipinto del Tiepolo nel Duomo di Desenzano è opera di grande interesse, poiché iconograficamente atipica, in quanto i dodici apostoli sono colti, diversamente da quanto avviene usualmente nello schema tradizionale, secondo una linea prospettica longitudinale che sembra affollare i convitati in una stretta intimità mentre avviene il dramma.
Altre opere sono nella sacrestia. Lo sguardo corre subito alla "Deposizione" e alla serie di piccole tele illustranti "I misteri del Rosario".
All'interno del Duomo si trovano altre opere di pittori, tra cui Giovanni Andrea Bertanza di Padenghe, Donato Zenone, Domenico Cignaroli, mentre nella navata sinistra s'apre la cappella dedicata a Sant'Angela Merici ed eretta nel 1874.