La construction de la cathédrale commença sur ordre de la reine Isabelle, sur le site qui avait accueilli jadis la grande mosquée puis, plus tard, l'église Santa María de la O. Elle fut dessinée par Enrique Egas mais bientôt adaptée au style Renaissance de Diego de Siloé.

La construction débuta au début du XVIe siècle pour s'imposer très vite comme un chef d'œuvre de la Renaissance espagnole encensé par les écrivains et historiens.

Sa structure extérieure est gothique, avec sa façade principale signée Alonso Cano. L'intérieur du temple, Renaissance, suit cependant un plan gothique, avec ses chapelles latérales et le chœur, chef d'œuvre de Siloé. Le trésor de la cathédrale est conservé dans l'ancienne salle capitulaire, aujourd'hui gardienne des ornements et joyaux de grande valeur.

L'entrée à la cathédrale donne aussi accès à son musée.