Après la prise de la ville par les troupes de Louis XI en 1479, les Dolois décident de reconstruire la collégiale. Le chantier va durer de 1509 à 1586.

Édifiée dans un style gothique, l’imposant édifice, dont le clocher-porche mesure 75m de haut, abrite un très beau mobilier renaissance en marbres polychromes. La chaire, la tribune de l’orgue, le portail de la Sainte-Chapelle, le portail occidental témoignent du dynamisme des ateliers dolois de la Renaissance. La Sainte-Chapelle (1610) est construite par la confrérie des avocats et accueille la célèbre hostie miraculeuse de Faverney. Le grand orgue est l’œuvre de Karl Joseph Riepp qui acheva cet instrument en 1754. Pas moins de 3500 tuyaux, répartis en 63 registres, se font encore entendre aujourd’hui.

Plus grande église de Franche Comté, elle est classée monument historique depuis 1910