La chiesa e il convento di Pergola furono fondati il 4 marzo del 1258, quando il luogo, extra moenia, fu concesso agli Agostiniani: nel 1388 il cenobio è nominato nei registri dell'Ordine. Il convento possedeva anche un oratorio e un ospedale dei poveri intitolati a santa Maria del Sambuco nelle vicinanze del castello di Pergola, diocesi di Gubbio. Particolarmente venerate erano le reliquie, custodite nella chiesa, dei santi Secondo, Agapito e Giustina. Nel 1819, quando Pergola assurse a sede vescovile, la chiesa di Sant’Agostino fu elevata a cattedrale e intitolata ai santi Andrea e Secondo. Il convento fu chiuso nel 1960. 
Dal punto di vista architettonico la chiesa mostra forme accademiche con linee neoclassiche risalenti all’Ottocento: la facciata presenta un ordine inferiore scandito verticalmente da sei paraste tuscaniche giganti a superficie liscia, con le quattro centrali raddoppiate nell’ordine superiore da altrettante paraste ioniche a scanalatura smussata. L’ordine superiore presenta un’apertura semicircolare (un mezzo rosone) ed è raccordato con volute serliane all’alta trabeazione dell’ordine sottostante. Il coronamento è a timpano triangolare con cornice aggettante e beccatelli. Limpianto è a tre navate divise da pesanti pilastri con profondo presbiterio. 
Salvo forse alcune tracce nella base del campanile e una finestra ogivale chiusa verso il giardino dell'episcopio, riconducibili alla fabbrica originaria, l’edificio ecclesiastico è stilisticamente ascrivibile alle ragguardevoli modifiche subite tra la fine del XVII e il XIX secolo. I frati ottennero la facoltà di vendere alcuni beni per la riparazione del campanile con bolla di papa Bonifacio IX il 9 gennaio 1400. Dalle relazioni del 1650 apprendiamo che a quell’epoca la chiesa aveva «tre navate alla moderna» ed era di grandi dimensioni, così come il convento che si sviluppava in «quindeci habitationi frà nove e vecchie fatte tutte à solaro, ve ne sono alcune di camere doppie che oltre servono per i frati della fameglia». Nel 1652 fu costruita la cappella del Santissimo Sacramento da parte della famiglia Graziani; nel 1668 fu operato un radicale restauro e la costruzione del presbiterio; nel 1682 la chiesa fu risarcita da non ben specificati danni di un terremoto; nel 1841 fu effettuato un restauro definitivo con la costruzione della facciata voluta da papa Gregorio XVI. 
Degna di nota, tra le opere d’arte, una tela con una Crocifissione attribuita a Luca Giordano, appartenente alla cattedrale e nel 1934 collocata nell’episcopio; nelle pareti di fondo del presbiterio si trovano due grandi tele di G. Francesco Ferri, il più prolifico pittore settecentesco pergolese, raffiguranti il Martirio dei santi Secondo, Agapito e Giustina e l’Arrivo del corpo di san Secondo a Pergola. Da segnalare, inoltre, un Crocifisso su tavola del XIV secolo, accostato all’artista eugubino Guido Palmerucci, autore di affreschi anche nella chiesa di San Francesco a Cagli e forse a Fossombrone. Di incerta provenienza e qui collocata è una tela di Ercole Ramazzani raffigurante la Madonna della Cintura (1589), considerata uno dei migliori lavori dell’artista.

Paolo Cruciani