D'une longueur de 110 mètres, l'édifice est le plus long parmi les cathédrales de Bretagne.
La façade occidentale fut construite en 1857 en style néo-gothique. Sur le pilier central du portail, à l'extérieur, se trouve la statue du Dominicain saint Vincent Ferrer, originaire de Valence en Espagne dont la tombe est hébergée par la cathédrale. La façade nord s'ouvre sur le jardin du cloître (avec des ruines de ce dernier du XVIe siècle), ainsi que sur la rue des chanoines, grâce au beau porche dit des chanoines qui termine le croisillon nord du transept en style gothique tardif (1514), et décoré des 12 niches correspondant aux statues des 12 apôtres.
La nef s'étend sur six travées dont la première constitue le narthex. Il n'y a pas de vaisseaux collatéraux nord et sud. Ceux-ci sont remplacés par deux séries de cinq chapelles donnant sur le vaisseau central. Les chapelles de la première travée sont inexistantes car occupées par les deux tours.
D'ouest en est, on trouve les cinq chapelles suivantes du côté sud :
C'est la plus petite des 5 chapelles. Depuis 1856 elle accueille les fonts baptismaux. Cependant elle est trop exigüe pour qu'on y pratique des baptêmes, ceux-ci ont lieu au milieu des stalles de l'arrière-chœur. Le vitrail est divisé en six médaillons : on retrouve d'abord Adam et Ève mangeant la pomme et étant chassés du Jardin d'Éden, puis Jean le Baptiste baptisant le Christ et le reconnaissant comme le Messie auprès de la foule, et enfin le baptême et le sacre de Clovis par Saint Rémi. Le vitrail a été offert en 1878 par Anne de Néverlée, comtesse douairière de Courcy.
C'est la sainte patronne de la Bretagne. Sa statue bénéficie d'une dévotion particulièrement grande, comme dans la cathédrale de Nantes. Le retable date du XIXe siècle. On retrouve sainte Anne avec les traits d'une femme âgée, accompagnée de sa jeune fille Marie. À leur gauche, Joseph et l'Enfant Jésus. À leur droite, Saint Joachim, le mari de Sainte Anne, portant dans sa main gauche une corbeille contenant deux colombes, offrande pour la Présentation au Grand Prêtre de Jérusalem.
Le vitrail de la chapelle montre le pèlerinage de Sainte-Anne d'Auray, et d'autres évènements importants de sa vie.
Le vitrail montre le Sacré Cœur de Paray-le-Monial.
Le Bienheureux Pierre René Roque était un prêtre, né à Vannes, connu pour sa grande piété. Il fut condamné à mort et guillotiné pour avoir porté la communion à un mourant. Il est enterré sous l'autel.
Cette chapelle comprend l'entrée sud de la cathédrale - Saint Gwenaël prit part à l'évangélisation des diocèses bretons au VIe siècle. Sur le vitrail correspondant, il est représenté en compagnie de la Bienheureuse Françoise d'Amboise. Cette dernière, duchesse de Bretagne fonda le premier couvent de Carmélites à Vannes.
Les cinq chapelles du côté nord de la nef sont les suivantes d'ouest en est :
Ici le vitrail représente Saint Mériadec et Saint Patern, premier évêque de Vannes. On peut également admirer à cet endroit le tableau de Rivoulon effectué en 1846, "Litanies de la Sainte Vierge", ainsi que celui de Destouches de 1819, montrant la Résurrection de Saint Lazare.
Celle-ci constitue l'entrée nord de la cathédrale - On peut admirer ici une peinture de Vincent datée de 1830 qui représente Jésus Christ sur la croix, Saint Jean, la Vierge Marie et Sainte Marie-Madeleine.
Utilisée comme chapelle du Saint-Sacrement, elle communique avec la tour Renaissance accolée à la façade nord de la cathédrale. Elle abrite depuis 1956 les reliques de Saint Vincent Ferrer, y compris son crâne.
Elle abrite une peinture de la Vierge à l'Enfant de Delaval (1836). On peut également y voir un vitrail représentant Saint Yves qui bénéficie d'une position privilégiée dans les églises bretonnes.
Le chœur abrite trois autels créés par Davide Antonio Fossati datant du XVIIIe siècle. De part et d'autre du maître-autel, les statues de Saint Pierre et de Saint Paul sont placés au-dessus de deux autels plus petits.
Le chœur est entouré d'un très large déambulatoire destiné à canaliser les pèlerins venus prier sur la tombe de Saint Vincent Ferrer, au Moyen Âge. Une plaque en marbre rappelle l'affiliation de la Cathédrale-Basilique à la Basilique Saint-Pierre de Rome.
La chambre du Trésor fut aménagée en 1782 dans une partie du chœur. Outre de beaux livres de théologie et d'histoire religieuse, la pièce la plus remarquable du trésor est un coffret de bois revêtu de parchemin peint. Il date du XIIe siècle et est décoré de scènes de la vie. On peut aussi mentionner une croix d'or et deux bâtons en ivoire.
Le croisillon sud du transept constitue une grande chapelle appelée Chapelle Notre-dame de Lourdes - C'est l'endroit de l'ancienne porte des Ducs. Les vitraux correspondants montrent la première communion de Françoise d'Amboise. Au dessus, on trouve Saint-Pierre. À gauche se trouve une peinture de l'ascension de Sainte Pétronille vers le ciel. Avant la révolution ce lieu abritait la tombe de Saint Gwenaël. À droite de l'autel, une mystique locale, Mme de Francheville, est enterrée.
Quant au croisillon nord du transept qui s'ouvre vers l'extérieur par le très beau portail des Chanoines, il servit à héberger le tombeau de Saint Vincent Ferrer jusqu'en 1956. Un vitrail le dépeint toujours. Le croisillon nord abrite aussi deux peintures, l'une de Gosse datant de 1945, l'autre de Mauzaise effectuée en 1831. La première dépeint la mort du Saint, et la seconde le représente prêchant aux infidèles.
Les évêques ont le privilège d'être enterrés dans leur cathédrale. À Vannes ils ont presque tous usé de ce droit, mais leurs tombeaux ont disparu les uns après les autres. À ce jour, il n'en reste plus que quatre.
Situé dans la chapelle de Saint-Vincent, du côté de l'évangile ; c'est un sarcophage en marbre, surmonté d'une arcade et d'attributs divers. On pouvait y lire sur une planchette : Hoc in monumento quiescit corpus Sebastiani de Rosmadec, Venetensis episcopi. Mort le 29 juillet 1646.
Situé en face du précédent il présente les mêmes caractères généraux que celui de Mgr De Rosmadec , mais il a de plus une statue du prélat agenouillé sur un prie-Dieu. Il a pour inscription : D. 0 M. Francisco d'Argouges, Venetorum Britonum episcopo… Obiit idibus martiis anni M. DCC. XVI. Monumentum hoc soror piissima Susanna d'Argouyes de Creil fratri charissimo moerens posuit.
Situé dans la chapelle du Sacré-Cœur, au côté sud de la nef, il fut construit par Christophe Fossati, de Marseille. De marbre blanc, il est surmonté de la statue agenouillée du prélat. On y lit : Hoc in perpetuum suoe venerationis et gratitudinis pignus dilectissimo et illustrissimo D. D. Carolo Joanni de Bertin Episcopo Venetensi Cothedralis hujusce ecclesioe restauratori munificentissimo monumentum erexit Capitulum Venetense anno Domini 1777. Obiit die 23 septembris anni 1774.
Situé dans le chapelle de Sainte-Anne, il a été élevé par souscription publique. Il est en marbre blanc et consiste en un sarcophage, surmonté de la statue agenouillée de l'évêque. Ce Monument est l'œuvre de M. Le Roux, de Paris. On y lit l'inscription suivante : D. .D. Joannes Maria Bécel, Ep. Veneten. — Natus kal. Aug. M. DCCC. XXV Vixit in pontificatu - annos XXXI. Obiit VIII idus Novembris MDCCCXC VII. — In Pace (abbé Le Mené).