Su construcción comenzó en 1221, siguiendo patrones góticos franceses. Tuvo importantes modificaciones en los siglos XV y XVI: y tambien en el siglo XVIII.
El estilo de la catedral es el gótico, aunque posee, en su interior, varios elementos decorativos renacentistas y barrocos.
El diseño de la fachada principal está relacionada con el más puro estilo gótico francés de las grandes catedrales de París y Reims, mientras que el alzado interior toma como referencia a la Catedral de Bourges. Consta de tres cuerpos rematados por dos torres laterales de planta cuadrada. Las agujas caladas de influencia germánica se añadieron en el siglo XV. En el exterior destacan también las portadas del Sarmental y la Coronería, góticas del siglo XIII, y la portada de la Pellejería, con influencias renacentistas-platerescas del siglo XVI.
En la Puerta Sacramental, portada abierta en el brazo meridional del transepto y elemento central y artísticamente más depurado es el tímpano, cuya ejecución se atribuye a un artista franco referido como el Maestro del Beau Dieu de Amiens. Lo que es indudable es la influencia de la escultura de la Catedral de Amiens en la magistral portada burgalesa. En este espacio casi triangular se representan a Jesús sedente como Pantocrátor mostrando el Libro de la Ley y, rodeándole, los Cuatro Evangelistas, en su caso representados de doble manera: icónicamente, con ellos mismos inclinados sobre sus pupitres de escritura redactando los Evangelios, y simbólicamente, por el Tetramorfos. Debajo, separado por un dintel, aparece un Apostolado al completo en pose sedente, atribuido a otro artista francés conocido como el Maestro del Sarmental. El tímpano es rodeado por tres arquivoltas que ocupan los 24 ancianos del Apocalipsis, tocando o afinando instrumentos musicales medievales, varios coros de ángeles y una alegoría de la Artes. Este conjunto iconográfico debió ser tallado por escultores locales dirigidos por los maestros franceses. La puerta esta dividida por un parteluz.
La construcción de la catedral, emplazada justo en el punto donde comienza a empinarse la ladera del cerro presidido por el Castillo, se inició por la cabecera y el presbiterio, lugar éste donde se sepultó al obispo fundador, cuyos restos fueron posteriormente trasladados al centro del coro capitular. Hacia 1240 asumió la dirección de las obras el llamado Maestro Enrique, también de origen galo, que después se haría cargo de la erección de la Catedral de León y que sin duda se inspiró en la Catedral de Reims, con cuya fachada el hastial de la seo burgalesa guarda grandes semejanzas. Las obras avanzaron con gran rapidez y para 1238, año de la muerte del prelado fundador, sepultado en el presbiterio, ya estaban casi terminadas la cabecera y buena parte del crucero y las naves. La consagración del templo tuvo lugar en 1260, aunque consta la celebración de oficio divino en él desde 1230.
Entre la segunda mitad del siglo XIII y principios del XIV se completaron las capillas de las naves laterales y se construyó un nuevo claustro. Al maestro Enrique, fallecido en 1277, le tomó el relevo el maestro Johan Pérez, éste ya hispano. Otros canteros posteriores fueron Aparicio Pérez, activo en 1327, Pedro Sánchez de Molina y Martín Fernández, fallecidos respectivamente en 1396 y 1418.
En el siglo XV la familia de los Colonia incorporó las agujas de las torres de la fachada principal, el cimborrio sobre el crucero y la Capilla de los Condestables. En el siglo XVI, además de la modificaciones realizadas en varias capillas, destaca la construcción de un nuevo cimborrio por Juan de Vallejo, que sustituyó al de Juan de Colonia (hundido tras un huracán). En el siglo XVIII se realizaron la Capilla de Santa Tecla, la Capilla de las Reliquias y la Sacristía.
