Edificada en 1140 sobre los restos de la antigua basílica prerrománica. Hacia finales de siglo ya estaba construido casi todo el templo, excepto el cimborrio y la bóveda de la nave principal. Se consagró el 1174 y sirvió de modelo para muchas iglesias de la provincia, entre ellas la Colegiata de Santa María de Toro.

Se edificó a pocos metros del alcázar para proteger adecuadamente el recinto sagrado. También, su proximidad a la muralla defensiva hizo que se fortificara la torre campanario y el templo.

Los tejados del transepto y de las naves laterales no son de teja, si no de piedra lisa a modo de camino de ronda, que se completa con unos pasillos que comunican las diferentes cubiertas.

La torre campanario destaca por su robustez. Tiene 45 metros de altura y fue edificada a principios del siglo XIII.

Fue construida a modo de castillo episcopal y su acceso se hace a través del cubierta norte.

Por encima del templo la torre se alza cuatro pisos más. En el primero no hay ninguna apertura, ya que era el más accesible. En el segundo, en cambio encontramos una ventana de medio punto en cada uno de los muros. En el siguiente piso encontramos dos ventanas por pared y en el último tres. En estos dos últimos pisos es donde se encuentran las campanas. Se cree que estaba coronada con almenas y un tejado a cuatro aguas, que al perder la función defensiva se eliminaron.

El templo tiene planta basilical con tres naves divididas en cuatro tramos. El transepto apenas sobresale de las naves laterales. Está cubierto con bóveda de cañón apuntada.

En él se abrían tres ábsides semicirculares románicos, que fueron sustituidos en el siglo XV por unos góticos.

Las naves laterales se construyeron con bóvedas de arista, mientras que la central, que fue la última en construirse, ya es de crucería con los arcos apuntados.

Se cree que fueron las primeras bóvedas góticas de España.

Como es habitual en los templos catedralicios, un imponente coro ocupa los dos primeros tramos de la nave central después del transepto.

Este se construyó a finales del siglo XV y principios del XVI.

Uno de los laterales exteriores del coro está decorado con un imponente fresco de San Cristóbal, de época posterior.

En el punto donde se cruzan el transepto y la nave principal encontramos una gran cúpula, que exteriormente se transforma en un espléndido cimborrio.

Un cuerpo cilíndrico se apoya sobre pechinas y los arcos torales. En él se abren dieciséis ventanas de medio punto separadas por unas columnas donde descansan los nervios de la cúpula. Posteriormente se cubrió con pinturas.

En cuanto al exterior destaca su forma de inspiración bizantina, coronada con un tejado a modo de escamas, de tradición francesa. Con el fin de aligerar el peso de la cúpula, se construyeron cuatro torretas en las esquinas.

Otro de los elementos más interesantes de la catedral es la puerta del muro sur.

Es conocida como la Puerta del Obispo. Es la única de las tres que tenía el templo en época románica que ha sobrevivido al paso de los siglos.

Está dividida tres espacios mediante unas grandes columnas. En la parte central encontramos la portada. Está formada por cuatro arquivoltas decoradas con rollos zamoranos. Estas se apoyan en columnas con capiteles esculpidos con motivos vegetales.

Sobre la puerta encontramos una arquería de arcos ciegos formados por una arquivolta apoyados con columnas. Sus capiteles son de tipo vegetal.

Sobre ellos encontramos un friso de arcos trilobulados con ménsulas troncopiramidales.

En el lado derecho de la puerta encontramos el conjunto escultórico de la Majestad. En él vemos a la Virgen María haciendo de trono al Niño Jesús, que ha perdido la cabeza con el paso de los años. A ambos lados encontramos dos ángeles. El conjunto está rodeado por un arco decorado con motivos vegetales.

Bajo este conjunto escultórico encontramos una cabeza esculpida y que en la actualidad está muy deteriorada. Según la tradición corresponde al moro Ome-Ya-ben-Moaviahque, que sometió a un feroz asedio la ciudad en el año 901. El rey Alfonso III de Asturias acudió a socorrer a la ciudad y una vez conseguida la victoria hizo colgar de las murallas las cabezas de los derrotados, para advertir de su suerte a todos los que volvieran a intentar conquistar la ciudad. Durante siglos los niños de la ciudad han tirado piedras contra la cabeza del moro. Quizá alguna piedra se desvió de su trayectoria y fue la culpable de que el Niño Jesús le falte la cabeza.

Al otro lado de la puerta encontramos otro grupo escultórico en el que están representados en San Juan y San Pedro dirigiéndose hacia la Virgen y el Niño que están en el otro lado.

Al oeste de esta puerta vemos otra de pequeñas dimensiones, actualmente cegada.

La puerta del lado norte se modificó en el siglo XVI cuando se construyó un nuevo pórtico de estilo herreriano. La del muro oeste se derruyó para edificar la capilla funeraria del Cardenal Meléndez Valdés.

Son de la misma época la sacristía y el claustro. Este sustituyó al anterior románico, que se quemó accidentalmente durante una procesión en 1591.

En 2011 se recuperaron y restauraron dos arcosolios con sus sepulcros del siglo XV. Estos se encuentran en los muros laterales de la catedral y fueron cegados en el siglo XVII.

También ese año se recuperó una pila bautismal del siglo XV, que en 1959 fue regalada a la parroquia de Cristo Rey con motivo de la construcción de este templo. Después de muchas negociaciones, la pila bautismal volvió a la catedral y actualmente está en la capilla de San Juan Evangelista.

En el museo de la catedral se conserva un interesante Pantocrátor policromado del siglo XIV.

También podemos encontrar unos interesantes tapices flamencos hechos durante el siglo XV y principios del XVI, hechos por el taller de Tournai.