Apenas hacía unos años que se había concluido la catedral románica de El Burgo de Osma -levantada por san Pedro de Osma-, cuando en 1232 -seguramente ante el ejemplo de lo sucedido en
Burgos y
Toledo-, se decide su derribo y sustitución por otra gótica. Es posible que aquí, dada la mayor modestia de esta empresa y la reciente conclusión del edificio románico, se utilizara la cimentación del perímetro mural, condicionando en buena medida sus proporciones. Muestra de ello es la ubicación de la antigua sala capitular, tardorrománica, abierta a la galería oriental del claustro del siglo XII y situada en línea recta con respecto a los absidiolos septentrionales del templo actual, lo que indica que la antigua cabecera se encontraba situada en el mismo lugar, y posiblemente con una organización similar a la que recibió en la fábrica gótica. Pero este condicionamiento no afectó a los elementos estructurales, para los que se acudió al ejemplo que ofrecían las canterías más próximas (especialmente Burgos, pero también
Cuenca y Toledo), que ya se levantaban de acuerdo con los principios arquitectónicos del
nuevo sistema gótico.
La planta de la catedral gótica responde a los
modelos cistercienses, presentando una planta de cruz latina con tres naves de cinco tramos cada una, estrechos y rectangulares los de la nave central y cuadrados los de las naves laterales. El crucero consta de cinco tramos, al que se abren las cuatro capillas y el presbiterio, formado por dos tramos rectangulares y el ábside heptagonal. Las bóvedas que cubren cada uno de los tramos de las naves y el crucero son de ojivas, mientras que la del ábside es nervada de ocho nervios. Los pilares están formados por un núcleo cilíndrico de cuatro columnas adosadas.Las medidas de la catedral son 71,80 m. de longitud por 41,80 m. de crucero y 19,80 m. de altura en su nave mayor. En el extremo meridional del crucero se abre la
Portada principal.
Los maestros de obras buscaron la inspiración en los cercanos monasterios de
Las Huelgas y
Santa María de Huerta y en las catedrales de Burgos, Cuenca y
Sigüenza. La torre del templo es una construcción más tardía, finalizada en 1767, alcanzando los 72 metros. El claustro pertenece al estilo gótico tardío y en las salas que rodean esta construcción se ha establecido el Museo Catedralicio.
En el siglo XVIII se realizaron reformas en el templo catedralicio, entre las que destaca la capilla circular de la cabecera, obra de
Juan de Villanueva.