No se sabe con precisión cuando se inició la construcción de la catedral, habiendo dos teorías, una que defiende que Alvar García comenzó a construirla en el año 1091 sobre los restos de la iglesia de San Salvador, arruinada por los sucesivos ataques musulmanes, y que Alfonso VI de León recaudó el dinero necesario para edificarla.
No obstante, la mayoría de los historiadores otorgan al maestro Fruchel la autoría de la catedral y la fechan en el siglo XII, coincidiendo en la línea temporal de la repoblación castellana llevada a cabo por Raimundo de Borgoña. Se cree que Fruchel construyó la parte más antigua de la catedral, la correspondiente a la cabecera, mientras que el cuerpo de naves, las capillas adyacentes y el remate de las torres, serían fruto de las sucesivas obras entre los siglos XIII y XVI.
Se trata de la primera catedral gótica de España, siendo la zona construida por Fruchel de estilo Románico de transición al Gótico. Posteriormente, distintos maestros continuaron y modificaron el plan de obras ya en estilo gótico pleno.
Del siglo XIII son el primer cuerpo de las torres y las naves y del XIV el segundo cuerpo de las torres (una de ellas inacabada), el claustro, las bóvedas y los arbotantes. Ya en el siglo XV se terminan todas las obras de la catedral y en 1475 Juan Guas construye el reloj mecánico, además de trasladar la primitiva portada occidental al lado norte.
Detalle del pórtico.
La percepción espacial del templo se modificó sustancialmente con la construcción del coro; el trascoro, realizado por Lucas Giraldo y Juan Rodríguez, es una obra en piedra caliza de grandes dimensiones.
A lo largo de los siglos fueron construyendo diversas capillas, como la de San Segundo y Los Velada, en el siglo XVI. Otra obra importante de Juan Rodríguez en colaboración con Lucas Giraldo es el Altar de Santa Catalina.
El Altar mayor lo comienza, en 1502, Pedro Berruguete, autor de las ocho tablas de la predela: evangelistas, doctores de la iglesia, la Flagelación y la Oración en el Huerto, probablemente terminada por Santa Cruz, artista que continuaría la obra con las tablas de la Crucifixión, Resurrección y Epifanía. Finalmente termina el retablo Juan de Borgoña.
La planta posee influencias francesas y cierta semejanza con la Basílica de Saint-Denis, la primera iglesia gótica. De gran originalidad es la cabecera, por un doble motivo: al exterior se encuentra fortificada, a modo de ábside macizo y almenado, popularmente conocido como «Cimorro»; mientras que al interior presenta un doble deambulatorio, con finas columnas y arcos ojivales, que aportan a este espacio una sensación de ligereza y diafanidad.
El cuerpo de naves corresponde a un periodo en el que el Gótico había entrado en una fase más depurada y luminosa. Las tres naves son de igual anchura pero la central es notablemente más alta, y se abre con grandes ventanales al exterior. Las bóvedas son en su mayoría de crucería simple cuatripartita.
