Tras la conversión de Burgos en sede episcopal en 1075 por el rey Alfonso VI y la autoridad del Papa Gregorio VII, el rey promovió la construcción de una catedral en la ciudad dedicada a la Virgen María que debía ser de tipo románico, pero no han llegado hasta nosotros sus trazas.
En el año 1096 las obras ya estaban concluidas, pero pronto resultó pequeño para las necesidades de una ciudad de la importancia de Burgos, con sede episcopal y un centro comercial con cada vez más afluencia. La decisión de levantar una nueva catedral se tomó en el siglo XIII, destruyendo el edificio románico y algunas casas adyacentes, para comenzar la construcción del templo gótico.
Las obras comenzaron el 20 de julio de 1221 en presencia de los promotores del templo: el rey Fernando III de Castilla y el obispo Mauricio. La construcción de la catedral, se inició por la cabecera y el presbiterio. Las obras avanzaron con gran rapidez y para 1238, ya estaban casi terminadas la cabecera y buena parte del crucero y las naves. La consagración del templo tuvo lugar en 1260.
La fachada occidental del templo está inspirada en las de las catedrales de París y Reims.
En el cuerpo inferior encontramos la Portada de Santa María, formada por tres arcos apuntados y abocinados donde se abren la Puerta Real, también llamada del Perdón, bajo el arco central, y bajo los laterales, hallamos las de la Asunción y la Inmaculada. La iconografía está dedicada a la Virgen. Su deterioro obligó a reconstruir austeramente las puertas laterales, en 1663 por Juan de Pobes, en las que se colocaron los relieves de la Concepción y la Coronación; y la central en estilo neoclásico, con vano adintelado y frontón triangular, en 1790.
En el segundo cuerpo de la calle central de la fachada se abre un rosetón, con tracería de estrella de seis puntas. En el tercer cuerpo de la misma calle aparece una galería, delimitada por dos agujas y varios pináculos, y formada por dos grandes ventanales con maineles y tracería; bajo los arquillos que forman los maineles hallamos las estatuas de los ocho primeros reyes de Castilla. Corona la calle una fina barandilla-crestería de arquillos ojivales sobre la que se alza una estatua de la Virgen con el Niño.

Sobre las puertas laterales del primer cuerpo se alzan dos torres de tres cuerpos, con pilastras decoradas con pináculos y estatuas en sus ángulos, y con decorados vanos ojivales en cada cara de cada cuerpo.
El conjunto de la fachada está jalonado por dos torrecillas poligonales, con decoración de arquillos lobulados, con pináculos y con estatuas y rematadas en agujas piramidales; en su interior albergan escaleras de caracol que ascienden al triforio y a las bóvedas de las naves.
El templo presenta planta de cruz latina, con unas dimensiones de 84 por 59 metros, que forman tres naves, siendo la central más ancha y elevada y estando las laterales fusionadas en la cabecera mediante una girola y, cortándolas perpendicularmente, tenemos un trasepto de una nave orientado en el eje norte-sur. El eje longitudinal de las naves del eje este-oeste se compartimenta en nueve tramos, tres de los cuales corresponden a la profunda Capilla Mayor, más el crucero y la cabecera pentagonal; el transepto o nave transversal consta de seis tramos, tres a cada lado y de la misma altura que la nave central.
Los alzados consisten en pilares octogonales, de núcleo cilíndrico y columnillas adosadas, salvo los que sostienen los arcos torales en el crucero, que son sólo cilíndricos y de un grosor mucho mayor. La solución por la que se opta en las cubiertas son bóvedas de crucería con nervio espinazo, simple en la mayoría de los tramos y compuesta con terceletes y combados en algunos tramos, como en el transepto. Las bóvedas de los tramos de la girola son de cinco o seis radios, y las de los tramos de la nave central son barlongas.
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.
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 XVIII se realizaron la Capilla de Santa Tecla, la Capilla de las Reliquias y la Sacristía.
Hay que añadir que la nave central emplea para la descarga de fuerzas en las naves laterales juegos de doble arbotante, tomado de las catedrales francesas como la de Saint-Denis y Notre-Dame de París.
Fuera del ámbito del claustro nuevo sólo se reformó, después del 1800, la capilla del Santo Cristo o de Nuestra Señora de los Remedios, situada en la zona oeste del claustro viejo. La renovación comenzó con el traslado crucifijo del Santo Cristo desde el Real Monasterio de San Agustín a la capilla, cuyo nombre desde ese momento es, capilla del Santo Cristo de Burgos. En torno a 1890 Vicente Lampérez y Romea, maestro arquitecto de la catedral desde 1887, emprendió la restauración de esta capilla, quitando el enlucido adicionado de los muros y bóvedas y se renovó por completo la portada que da a la nave. También se remontan a esta restauración las ventanas de tracería neogótica, las arcadas ciegas de los muros y la mayor parte de los restantes elementos arquitectónicos.
Entre 1899 y 1911 Lampérez restauró, claustro nuevo, consiguiendo recuperar en lo esencial su forma original. En el claustro se había sobreedificado un tercer nivel con pequeñas ventanas barrocas que el arquitecto hizo eliminar y, abrió las ventanas originales del claustro que habían quedado casi cerradas. La instalación de vidrieras ornamentales siguió modelos y técnicas antiguas. El claustro inferior se vio notablemente intervenido, las formas de su nervadura, aparentemente del gótico tardío, se deben a Lampérez.

Iconografía de las puertas
La Puerta del Sarmental fue construida aproximadamente entre 1230 y 1240. Los relieves del tímpano se le atribuyen al Maestro del Beau Dieu de Amiens. En este espacio se representan a Jesús sedente como Pantocrátor mostrando el Libro de la Ley con los Cuatro Evangelistas rodeándole, representados de doble manera, con ellos mismos inclinados sobre sus pupitres redactando los Evangelios, y simbólicamente, por el Tetramorfos. Debajo, separado por un dintel, aparece un Apostolado en pose sedente. El tímpano es rodeado por tres arquivoltas con los 24 ancianos del Apocalipsis, tocando instrumentos musicales medievales, varios coros de ángeles y también una alegoría de la Artes.
La Puerta de la Coronería, que desde el interior de la Catedral se comunica con la nave mediante la Escalera Dorada de Diego de Siloé. Fue realizada entre 1250 y 1257. Pese a ser totalmente gótica, parte de los temas escultóricos continúan la tradición románica. Además, el entorno de la puerta fue reformado en 1786, con un arco de medio punto de grandes dovelas y de estilo barroco.

La Puerta de la Pellejería fue mandada realizar en 1516. Su autor fue Francisco de Colonia, nieto de Juan de Colonia, concibió esta portada a modo de retablo gótico de dos cuerpos de tres calles, más ático, pero con decoración plateresca en sus pilastras, frisos y entablamentos.

En la calle central, en el primer cuerpo, se abre la puerta, de arco de medio punto angrelado, con una arquivolta decorada con estatuillas de los Apóstoles debajo de doseletes, que siguen la dirección del arco. En el segundo cuerpo aparecen dos relieves con la representación del martirio de San Juan Bautista y el de San Juan Evangelista. En el ático tenemos, flanqueado por las esculturas de San Pedro y San Pablo, un frontón semicircular en el que encontramos un relieve de la Virgen entronizada con el Niño, entre ángeles músicos y con el obispo mecenas arrodillado a la izquierda.