L’edificio sorge nel luogo dove recenti indagini archeologiche, tuttora in corso, fanno supporre l’esistenza di strutture dell’antica Tàthari, la Sassari romana e tardomedievale. La prima pieve romanica vi fu eretta nel XII secolo, mentre al Duecento risale la parte inferiore del campanile, ripreso nel 1756 con una snella sopraelevazione ottagonale. A partire dal 1480, e probabilmente sino al 1505, la chiesa fu riedificata in proporzioni più ampie che richiamano la tipologia gotica catalana. Tra il 1681 e il 1715 si svolsero i lavori che portarono all’attuale prospetto. L’architetto fu quasi sicuramente il cagliaritano Baldassarre Romero, che seppe esprimere in maniera fantasiosa i motivi plastici decorativi del tardo barocco spagnolo, mescolandoli al repertorio goticheggiante e classico. Sul portico con volte stellari si innalza l’alta fronte coperta da fitti intagli, su cui si aprono tre nicchie con le statue dei santi Gavino, Proto e Gianuario e nel fastigio superiore ad arco la statua di S. Nicola. L’interno a navata unica mantiene ancora l’antica fisionomia gotica. Nelle cappelle laterali sono state messe in luce ulteriori architetture gotiche e decorazioni tardocinquecentesche. Tra i dipinti, pregevoli: nella seconda cappella destra la tela dei Ss. Cosma e Damiano, attribuita a Carlo Maratta, e nella seconda sinistra la Madonna del Tempietto (1626) del sassarese Diego Pinna; nel braccio destro del transetto, infine, Ultima Cena di Giovanni Marghinotti. Da segnalare anche la sagrestia dei Beneficiati, dalla suggestiva volta a crociera multipla in cotto retta da una colonna centrale in granito (XVI secolo). Nell’ottocentesco altare maggiore è esposta la Madonna del Bosco, tempera su tavola di scuola senese del Trecento; a destra dell’altare un Crocifisso di scuola spagnola del XVII secolo. A sinistra in una teca è conservata la seicentesca statua d’argento di S. Gavino, opera forse di argentieri locali. Eccellente lavoro di intaglio è il coro in legno di noce sardo del primo Settecento. Nel braccio sinistro del transetto si trova il dipinto di Vittorio Amedeo Rapous raffigurante S. Anna e il SS. Sacramento; alla parete destra, mausoleo di Placido Benedetto di Savoia conte di Moriana, opera del torinese Felice Festa (1807).