La prima chiesa, realizzata attorno al XIII secolo, era inizialmente dedicata solamente a Prosdocimo, santo patrono dei padovani. Al podestà e al vescovo di Padova, infatti, spettavano rispettivamente l’elezione dei sacerdoti e la loro conferma. Nel 1376, papa Gregorio XI le concesse il riconoscimento di Parrocchiale e allora all’originaria dedica a San Prosdocimo fu affiancata quella a San Donato.
Della chiesa duecentesca non restano che poche tracce: doveva presentare una pianta rettangolare con un orientamento est-ovest ed essere ripartita in tre navate attraverso due serie di pilastri cruciformi. L’abside centrale era quadrangolare. La decorazione interna comprendeva un affresco raffigurante la Vergine con il Bambino in trono e Santa Margherita (originariamente nell’abside e attualmente visibile nella cappella della Concetta).
Il Duomo, nella sua forma attuale, è opera di tre celebri architetti operanti a cavallo tra Settecento e Ottocento: Domenico Bertoldi (che attese anche alla ricostruzione della chiesa del Torresino), Ottavio Bertotti Scamozzi e Carlo Brera. La prima pietra della nuova chiesa di dimensioni nettamente superiori e questa volta con orientamento nord-sud, fu posata nel 1775. La facciata principale, completata solo cent’anni dopo, venne realizzata secondo i tipici canoni neoclassici: Su un alto basamento in pietra rosa e marmo bianco di Asiago si impostano quattro alte semicolonne composite che sorreggono un timpano. Ai lati del portale d’ingresso, due nicchie ospitano le statue di San Prosdocimo (a sinistra) e San Donato (a destra). Nella fascia al di sopra delle nicchie e del portale, si trovano invece alcuni bassorilievi di inizi Novecento, opera di Giovanni Fusaro, raffiguranti i miracoli dei due Santi titolari della chiesa ed episodi della vita della Vergine (al centro).
La sagrestia attualmente ospita una pinacoteca in cui sono esposti dipinti di importanti artisti, tra cui “La Cena di Emmaus” di Jacopo da Ponte e “La flagellazione” di Palma il Giovane.
