Gli edifici dedicati al culto, nel corso di due millenni, sono stati soggetti a molteplici cambiamenti nei loro schemi architettonici e negli stili artistici. Rinnovare l'aspetto dell'edificio sacro (una chiesa è un organismo vivo nel tempo) è quindi doveroso, poiché "se da una parte va gelosamente preservato il bene della memoria, dall'altra deve essere tutelato il bene della spiritualità".

Talvolta però può accadere che nello svolgersi delle soluzioni progressive strutturali di alcune parti degli edifici, esse inglobino alcune parti delle antiche strutture, così da cancellare o nascondere un segno, una traccia del passato.

Così è stato per la vicenda costruttiva del Duomo: del resto la storia del Duomo non sfugge al modello di tante altre cattedrali; dalla verosimile ipotesi del primo impianto paleocristiano in epoca romana. Si svilupparono le successive soluzioni romaniche, cistercensi, gotiche, tardo cinquecentesche, barocche, ottocentesche, fino a quelle odierne.

Dagli scavi effettuati nel presbiterio del Duomo dal luglio al settembre del 2000 è ritornata alla luce una parte dell'impianto architettonico absidale, con stili sovrapposti e sopraggiunti, formato da un semicerchio di metri 4,30x2 la cui altezza è di metri 3.

Al tempo che fu progettata e costruita la facciata del Duomo (1376), il capomastro gotico, anche se la sua formazione era piuttosto empirica, aveva l'obbligo di scoprire quella che veniva chiamata "la giusta misura" o "la misura certa", che è in sintesi il modulo, unità di misura stabilita, in base ad alcuni criteri estetici, matematici nella tecnica costruttiva.

Mentre l'aspetto estetico è rappresentato da decorazioni e sculture come: il busto di San benedetto (sopra il "rosone" dentro la nicchia); la fascia di marmo ornata che corona il portale e l'archivolto con i bassorilievi; sulla sinistra guardando la facciata, in basso, un bassorilievo dal segno primitivo in marmo bianco raffigura Eva, madre dei viventi; dalla terra sotto i suoi piedi si ramifica una decorazione con grappoli d'uva e foglie di vite. La vite è un simbolo di Cristo, così come il leone che si può osservare sullo stipite destro in alto. Dal leone la decorazione ridiscende fino alla brocca. La brocca è spesso rappresentata nell'arte paleocristiana con tralci e foglie che crescono da essa, oppure mediante gli uccelli che visi abbeverano, allusione all'acqua della vita che vi è contenuta.

Sull'identità della lastra di marmo altomedievale ritrovata nel 1964 nel Duomo, ed erroneamente sempre chiamata "paliotto", occorre precisare che si tratta invece di un "pluteo". Infatti con la voce "paliotto" si indica il paramento che copre la parte anteriore dell'arte, mentre il termine "pluteo" sta ad indicare l'elemento di recinzione (recinto dell'altare, del presbiterio) nelle chiese paleocristiane e medievali. Il pluteo assolve, in sostanza, la stessa funzione di una transenna, assieme alla scoperta del "transetto" e di altri elementi, è determinante per ricostruire l'origine e l'espandersi del Duomo. Prova anche l'esistenza di un edificio sacro in età carolingia. Il dato interessante che emerge dal suo esame è lo stile, riferibile a maestranze romane. Pensiamo ad un contatto particolarmente stretto tra Orbetello e l'Abazzia delle Tre Fontane già in un tempo molto antico, indipendentemente dall'autenticità della donazione di Carlo Magno. La decorazione del pluteo è formata da riquadrature geometriche costituite da tre tralci, che sono a loro volta collegati tra loro in riquadri che contengono le decorazioni. Oltre alle croci centrali, vi sono rappresentati animali con senso simbolico cristologico: il leone, l'unicorno, il serpente, la colomba ed altre raffigurazioni come foglie di vite, uva e melograno.

La diversità strutturale della cappella di san Biagio sta nel fatto che, mentre le cappelle barocche giunsero a sostituire praticamente le navate, l'impianto volumetrico è concepito qui come un organismo autonomo non isolato. Terminata prima dell'aprile del 1613 e "adornata di tre altari" costruita durante la dominazione spagnola e quindi sotto il Regno di Napoli, è però formata da una serie di elementi stilistici riconducibili al primo barocco romano. La struttura della cupola ebbe origine sulla prima architettura sacra a pianta ovale con i progetti del Vignola, del Borromini e del Bernini. Successivamente verranno collocati nelle pareti della cappella i "dipinti della scuola seicentesca": il martirio si santo Stefano e scene della vita di sant'antonio Abate, una pala raffigurante San Biagio nell'altare maggiore e il miracolo della lisca di pesce conficcata nella gola di un bambino. Nel corso dell'Ottocento verranno poi inseriti nell'altare dentro uno stipo, il busto reliquario di San Biagio in argento, datato 1893, opera dello scultore Cesare Aureli(1842-1923), il tabernacolo e l'inferriata sovrastante la balaustrata (1855). Negli incendi del 1974 vengono sistrutte le tre pale. Dopo venti anni (1994), Ardito Schiano vitalizza le forme barocche in cui sono incastonati tra grandi quadri, donando un tocco di cronaca contemporanea all'avita storia del Duomo. I dipinti raffigurano: "La celebrazione del Patrono", "I miracoli del Santo", "Altri episodi della vita di san Biagio".

Alla destra del presbiterio si trova la Cappella neoclassica del S.S. Sacramento del 1859 su disegno dell'ing. Ferruzzi di Firenze che poi disegnò anche il nuovo campanile. Si tratta di un modello estetico e strutturale che contiene elementi architettonici del mondo antico greco e specialmente romani; le colonne con capitelli corinzi, le arcate e le cupole sono decorati con lacunari in stucco.

Adornato da 24 piccole sculture, con i volti di personaggi che hanno una funzione politico religiosa, come nella cattedrale di Parigi, Chartres, Reims e Amiens e non come ad esempio ad Orvieto dove vi sono teste che ritraggono santi. E' questo che spinge ad identificare nelle piccole teste del rosone del Duomo soggetti tra l'altro non estranei alla storia dell'Abbazia delle Tre Fontane, come Carlo magno attorniato dalla regina, da pirncipesse, vescovi ed abati. Osservando i particolari, si vede che alcuni personaggi portano nbella corona il fiordaliso (giglio) che è il motivo araldico delle dinastie francesi. Sui volti, poi si nota che gli occhi sono realizzati con pezzetti di ceramica di colore blu Prussia. Sopra i volti femminili anche la corona, oltre agli occhi è realizzata con pezzetti di ceramica di un bel celeste.