Se cree que se levantó sobre la antigua mezquita de la ciudad. En una primera fase se construyó la cabecera, con el altar mayor dedicado a Santa María. En ella destacan las bóvedas de seis paños, denominadas espartitas y que son propias del primer gótico normando.
Las obras siguieron hacia el crucero y los pies de la catedral. En la parte superior de la nave central encontramos el triforio. Decorado con arcos ojivales y ángeles, es un estrecho pasillo que recorre la parte alta de la catedral.
La girola fue una de las varias ampliaciones que sufrió la catedral, para la cual, tuvieron que derribar parte de la cabecera. La girola rodea el altar mayor y, a su vez, está rodeada de capillas. En esta ampliación se construyó también la actual y bonita sacristía de la catedral.
Después, en el siglo XVIII, se añade, en la girola, justo detrás del altar mayor, un nuevo altar barroco, el dedicado a San Julián y conocido popularmente como el transparente. Aprovechando las obras se realizó un nuevo altar en la capilla mayor, el actual, también de estilo barroco, siendo ambos obra de Ventura Rodríguez.
Uno de los elementos más bellos de la catedral son sus rejerías, tanto la que cierra el altar mayor, como las que cierran el coro y el resto de las capillas. La mayoría de ellas son del siglo XVI.
A ambos lados del coro encontramos los órganos que, aún en funcionamiento, son otra parte representativa de la catedral. Son tocados varias veces al año, ofreciendo una gran variedad de sonidos y sinfonías. Cada trompeta reproduce un sonido diferente. Como curiosidad, una de las trompetas, tiene un pequeño recipiente para agua, y al pasar el aire por él, imita el canto de un pájaro.
A lo largo de los años, la catedral, ha sufrido varias modificaciones que resultaron polémicas en sus épocas. Una de ellas fue la construcción de la fachada actual. En el año 1902 la torre del Giraldo se derrumba, afectando a la cúpula del arco de Jamete, que también se derrumba. Es entonces cuando se encarga a Vicente Lamperez, prestigioso arquitecto de la época, llevar a cabo las obras de restauración de la catedral. Lamperez, decide no restaurar la antigua fachada barroca, sino hundirla y construir una nueva, la actual, de estilo neogótico. Durante la construcción, el arquitecto muere. En aquella época el dinero que se recibía para las construcciones estaba muy ligado a los arquitectos, por lo que, fallecido el arquitecto, el dinero dejó de recibirse, quedando la fachada inacabada, como la encontramos actualmente.
La catedral, de no ser por la muerte del arquitecto, habría tenido dos torres (agujas), una fachada acabada y unas naves laterales más altas y luminosas.
Otra polémica decisión fue la de sustituir las antiguas y deterioradas vidrieras góticas por las abstractas que actualmente existen en la catedral. Las nuevas vidrieras fueron encargadas a artistas ligados al Museo Nacional de Arte Abstracto, situado en las Casas Colgadas de Cuenca. Solo se conserva la vidriera gótica que forma el rosetón que hay en la parte superior del arco de Jamete.
El arco de Jamete, una de las obras maestras del Renacimiento español, une la catedral con el claustro, está situado en el brazo norte del crucero y su construcción, en el siglo XVI, tampoco estuvo libre de polémica, ya que, se pensó para comunicar la catedral con el claustro y, por un error, se replanteó mal y nunca llegó a comunicarse. Hasta una de las últimas reformas que ha sido el acondicionamiento y posterior apertura al público del claustro renacentista de estilo herreriano, que fue construido en el siglo XVI, y la creación de una puerta que une la catedral con el claustro a través del arco de Jamete.
Es un especial cariño el que le tenemos a la catedral de Cuenca. En ella tuvimos el privilegio de realizar un timelapse formado por 23.000 fotografías en el que se muestra el avance de la luz que entra por las vidrieras, durante 12 horas, sobre los muros de la catedral. Este fue el resultado: LUMINA