Comenzó a edificarse en 1525 de la mano del Obispo don Diego de Ribera, bajo el reinado de Carlos V, en el punto más alto de la ciudad, (a 1006 m de altitud) , en sustitución de la antigua catedral románica situada en los actuales jardines del Alcázar, que fue destruida por un incendio durante la Guerra de las Comunidades en 1520. Algunos de sus elementos fueron aprovechados para otros edificios religiosos, mismamente, la pila bautismal y muchos bloques de piedra, sirvieron para la nueva.

Es de estilo gótico tardío, su trazado es obra de Juan Gil de Hontañón, quien no la pudo acabar y la termina su hijo Rodrigo Gil de Hontañón, habiéndola dirigido entre ambos el maestro García de Cubillas, contando con la colaboración de Rodrigo Gil, quien ya dirigía las obras de la Catedral de Salamanca, Francisco Vázquez y Alonso Martínez.

Se inauguró en 1.558 y fue consagrada en el año 1768 por el obispo de segovia, don Juan José Martinez Escalzo.

Posee 105 m de largo por 50 de ancho y 33 m de altura en la nave mayor, planta de tres naves, crucero y cabecera semicircular con girola. En su fachada principal está la Puerta del Perdón, orientada al oeste para aprovechar el último rayo de sol, con una virgen Inmaculada, en la fachada sur está la Puerta de San Geroteo y la Puerta herreriana de San Frutos al norte. Destacan del exterior su vigorosa torre, de 90 metros de altitud, hermosas gárgolas y la cúpula, una de las más airosas de España.

En el interior el altar mayor se ve rodeado en semicírculo por siete capillas absidales de la girola donde hay obras valiosas de Juan de Juni (una Piedad) y Gregorio Fernández (un Cristo yacente). El coro se limita por delante con una gran verja que forjó en 1729 Antonio Elorza. La sillería fue traída de la antigua catedral y completada en el año 1790 por un discípulo de Vasco de la Zarza.

El Museo Catedralicio, se pueden encontrar magníficas obras de arte, como: piezas finísimas de platería, orfebrería, tapices, documentos, códices, incunables y el Códice de Aguilafuente, uno de los primeros libros impresos en España (1.472). En él se prohibía a los obispos intervenir en asuntos de política y guerra.