Dedicato a S. Pietro, sorge sulla piazza omonima. L’interno, iniziato nel 1598, viene attribuito comunemente agli architetti Domenico Rainaldi e Prospero de Rocchi, mentre mons. L. Razza lo assegna ad Ottavio Mascherino. La chiesa fu aperta al culto nel 1610 e Paolo V nel 1612 vi celebrò solennemente la Messa. I lavori furono portati a termine nel 1636, ma la consacrazione avvenne solo nel 1680 ad opera del cardinale Alderano Cybo. La facciata, iniziata nel 1697 da Girolamo Fontana durante il pontificato di Innocenzo XII, fu terminata sotto Clemente XI nel 1700. Il Duomo è stato recentemente restaurato, a seguito dei danneggiamenti subiti durante l'ultimo conflitto mondiale. L'imponente facciata, in pietra sperone e travertino tiburtino, è di stile barocco. Presenta due ordini sovrapposti divisi da cornice: inferiormente su piedistalli poggiano quattro colonne con i capitelli dorici, al piano superiore altrettante colonne ioniche su basi includono al centro un finestrone timpanato.

     Lateralmente due campanili in laterizio, aggiunti in epoca posteriore, comprimono la facciata. Nel piano inferiore si aprono tre porte, quelle laterali con timpano arcuato, mentre quella centrale, con timpano triangolare, è coronata da un altorilievo in marmo raffigurante Gesù che rimprovera S. Pietro della sua poca fede, opera del romano Bernardino Cometti. A lato delle porte si trovano quattro nicchie con timpano triangolare, contenenti le statue, partendo da sinistra, di S. Sebastiano (opera di Girolamo Gramignoli), S. Giacomo Minore Apostolo (di Giuseppe Napolioni), S. Filippo Apostolo (di Vincenzo Felici) e S. Rocco (di Pietro Maiuri). Al piano superiore, racchiuse in nicchie con timpano arcuato, sono le statue di S. Paolo, opera di Andrea Fucigno. La facciata termina con un ampio timpano curvilineo con al centro lo stemma municipale, al di sopra del quale è una croce con a lato quattro candelieri posti perpendicolarmente alle colonne ioniche.

     L'interno, ampio, a croce, è diviso in tre navate da robusti pilastri, che sorreggono ampi archi su cui poggia la volta; la cupola non è visibile dall'esterno. La chiesa è impreziosita da marmi pregiati provenienti da monumenti romani. La prima cappella a destra di chi entra è quella di S. Isidoro, che oltre alla statua del Santo, di stile berniniano, presenta la volta affrescata con l'Apoteosi del Santo e le pareti con il suo martirio e l'Apoteosi di S. Eurosia, opera di Pietro Gagliardi 81809-20); la cappella venne sistemata nel 1773 dall'Università degli Agrari. Nella cappella seguente viene conservato un antico e pregevole Crocifisso ligneo. Proseguendo verso l'altare maggiore, si incontra la Cappella del Rosario, con un dipinto raffigurante la Madonna tra S. Chiara e S. Domenico, opera del XVII sec. Sul fondo sono i Misteri del Rosario, opera attribuita al Domenichino. Dopo la sacrestia, che conserva i paramenti sacri donati dal Cardinal Enrico duca di York, si giunge all'altare maggiore, dietro al quale due colonne di porfido egiziano includono un grande altorilievo in marmo, raffigurante Cristo che consegna le chiavi a S. Pietro. Databile al 1612, fu eseguito dal fiorentino Pompeo Ferrucci. Sotto il rilievo si trova la Cattedra Episcopale, mentre ai lati dell'altare sono un ambone con pilastrini settecenteschi appartenenti all'antica balaustra e, di fonte a questo, una fonte battesimale della stessa epoca. Procedendo dall'altare maggiore, la prima cappella a sinistra è quella del SS.mo Sacramento, con un'immagine settecentesca della Madonna Addolorata, opera di Dell'Era. Le pareti sono ricoperte da affreschi del XIX sec. di Cesare Dies e da decorazioni di Annibale Angelini. L'altare sorregge un tabernacolo settecentesco, opera di Nicola Cartoni, romano, dono del cardinale duca di York.

     Segue, sempre a sinistra, la cappella dedicata a S. Giuseppe, con un dipinto che raffigura il Santo ed i patroni della città, gli apostoli Filippo e Giacomo. Si giunge quindi alla Cappella del Gonfalone, voluta dall'omonima confraternita, che contiene un dipinto trecentesco, ritoccato dal Domenichino, raffigurante una Madonna con Bambino. I lati della cappella recano due pale d'altare del '600, raffiguranti una S. Francesco di Paola e S. Nicola da Tolomeo, l'altra S. Chiara da Monfalcone. Una statua lignea di S.Antonio Abate si trova successiva cappella, che, sulla destra dell'altare, presenta un quadro del XVII sec., opera di padre Giuseppe da Parma, raffigurante la Vergine con i Santi, ed alla sinistra un quadro del Rochetti (1546), con i Patroni della città SS.Filippo e Giacomo.

     Quindi si entra nella cappellina del SS.mo Salvatore. Di gusto settecentesco, contiene un'icona del XIV sec., col Cristo Risorto e Giudice. Al disopra della cappellina e di fronte ad essa sono contenute in due nicchie le statue lignee di S. Agata e S. Lucia, del XVI sec. Il Duomo conserva anche le memorie di numerosi personaggi illustri che operarono a Frascati. Particolare ricordo meritano il monumento funebre di Carlo Odoardo Stuart, che si trova a sinistra della porta centrale e quello di Girolamo Fontana, a destra, dalla parte della porta minore. A destra dell'entrata si trova, dal 1775, una croce di bronzo che ne racchiude una in legno, proveniente dalla basilica di S. Pietro a Roma.