La Catedral Vieja de Salamanca es conocida con este nombre, por que al construir un templo nuevo en el siglo XVI, no se destruyó el edificio románico, si no que se edificó en el solar adyacente.

En el año 1102, Raimundo de Borgoña y su esposa doña Urraca, donaron varios bienes y rentas al obispo Jeronimo de Périgord para que se reparara el templo dedicado a Santa Maria, que durante la ocupación musulmana había perdido el culto.

Sobre este templo visigodo o prerrománico se empieza a construir la nueva iglesia, que recibirá numerosas donaciones por parte de los monarcas castellanos Alfonso VII, Fernando II y Alfonso X.  En 1175 se tiene constancia que ya se habían levantado los muros del crucero, pese a que las obras avanzaban con lentitud. En el siglo XIV fue necesaria una colecta para poder finalizar definitivamente el templo.

Inicialmente fue construida con planta de cruz latina. Esta fue ligeramente modificada al construir la catedral nueva, por que se destruyó el brazo norte del transepto y parte del ábside lateral de este sector. Está formada por tres naves, divididas en cinco tramos y acabadas en tres ábsides semicirculares. Como ya hemos comentado, el del lado norte desapareció al construirse la nueva catedral.

El ábside principal está dividido en tres espacios mediante columnas adosadas, que tienen sus capiteles esculpidos con motivos vegetales.

En cada uno de estos espacios se abre una ventana de medio punto y abocinada. Están decoradas con una arquivolta decorada con elementos cilíndricos y un guardapolvo ajedrezado. El arco descansa en dos columnas, los capiteles de las cuales están decorados con motivos vegetales, grifos, centauros y otros animales fantásticos.

Bajo las ventanas encontramos una imposta ajedrezada. Este mismo motivo se representó en la cornisa que hay bajo el tejado y que se apoya en canecillos esculpidos.

El interior del ábside queda oculto por un gran retablo gótico. Fue pintado en en 1445 por Nicolo Florentino. Lo forman cincuenta y tres tablas pintadas al temple, donde se narran varias escenas de la vida de Jesús y María.

En la bóveda podemos ver la escena del Juicio Final.

Preside el retablo la imagen de la Virgen de Vega, patrona de Salamanca. Se trata de una imagen románica del siglo XII, donde Maria sentada, hace de trono a su hijo, que le tiene sentado en el regazo. La imagen está recubierta con cobre esmaltado y piedras preciosas.

En el tramo presbiteral podemos observar varios sepulcros de miembros de la familia real castellana.

El ábside sur tiene una única ventana en la parte central, similar a las del ábside principal, debajo de la cual hay una imposta ajedrezada.

Las naves están separadas por cinco pares de pilares cruciformes, con columnas adosadas en los lados planos, que sirven de descarga a los arcos fajones y formeros. En los dos casos se trata de arcos apuntados.

Tanto la nave principal como las laterales y el brazo sur del transepto están cubiertos con bóvedas de crucería.

Los gruesos nervios de la nave central descansan en columnas adosadas a los ángulos interiores de los pilares cruciformes.

Los capiteles están decorados con un amplio abanico de motivos escultóricos entre los que podemos ver motivos vegetales, zoomórficos, arpías, grifos, ángeles, demonios y figuras humanas.

En la intersección del transepto y la nave principal se levanta uno de los elementos más interesantes de la catedral: el cimborrio.

Una gran cúpula se apoya en en pechinas. Está formada por dos niveles de ventanas algunas de ellas cegadas y flanqueadas por pequeñas columnas con capiteles vegetales dónde vemos hojas de acanto y piñas. Los arcos de las ventanas del nivel inferior son de medio punto, mientras que los del piso superior son polilobulados. Entre dos ventanas encontramos una gruesa columna, que sirve de apoyo a uno de los dieciséis nervios que sostienen la cúpula.

Si interiormente el cimborrio es digno de ver, no podemos dejar de admirar su imagen exterior. Es conocido popularmente como la Torre del Gallo, gracias a la veleta con que se corona la cúpula,  que está decorada con bolas en las aristas.

Tiene planta cuadrada, y dos niveles de altura.  En cada uno de estos niveles encontramos las ventanas que iluminan el interior del crucero, las del nivel superior decoradas con bolas. En los ángulos encontramos cuatro torres cilíndricas cubiertas con un tejado cónico.

El brazo norte del transepto no se ha conservado, pero seguramente era similar al sur.

En él se alojan numerosos sepulcros, realizados entre los siglos XII y XV y que pertenecían a nobles y benefactores de la catedral. Algunos de ellos todavía conservan la policromía.

Se distribuyen de manera  totalmente anárquica por los muros del transepto algunas pinturas góticas, en las que podemos ver a un Cristo en Majestad, las imágenes del Tetramorfos, San Cristóbal y la Virgen. Una pequeña puerta, situada en este sector, nos conduce hacia el claustro.

En el muro oeste del templo se abre una puerta, formada por dos arquivoltas apuntadas, que actualmente no tiene utilidad. La arquivolta interior descansa en dos columnas con los capiteles vegetales.

Sobre la puerta encontramos una bella ventana geminada, con dos arcos de medio punto apoyados en columnas, que también tienen sus capiteles vegetales.

En este sector encontramos dos torres, que custodiaban la puerta de acceso al templo. Son conocidas como "la de las campanas" y " la Mocha".  Estas se construyeron como elementos religiosos, pero también defensivos. Es por este motivo que sobre el pórtico de acceso al templo se construye un aposento conocido como la Sala del Alcaide. Ya en el siglo XIII se termina de construir la torre Mocha, de planta cuadrada y que alojaba en su interior la prisión.

La torre de las campanas fue aprovechada en la construcción de la catedral nueva. En el siglo XVI se decide aumentar su altura con un nuevo cuerpo, de estilo plateresco. En 1705 sufrió un incendio, que obligó a restaurarla. Estas obras se aprovecharon para construir un nuevo piso. El terremoto de Lisboa de 1755, causó numerosos desperfectos, que estuvieron a punto de hundirla. Por suerte se pudieron reforzar sus muros y salvarla así de la destrucción.

En su parte inferior encontramos la capilla de San Martín, también conocida como capilla de los aceites, por que aquí se guardaban las tinajas con el aceite que servía para iluminar la catedral. Fue fundada por el obispo Pedro Pérez, el cual fue enterrado en esta capilla. A su lado encontramos el sepulcro de Rodrigo Díaz. En 1262 se cubrieron sus muros con pinturas murales góticas, entre las que destaca la escena del Juicio Final.

Alrededor de la puerta de acceso a la capilla, a los pies de la nave norte de la catedral, también encontramos unas pinturas murales, donde se representa a San Martín partiendo su capa para darla a un pobre.