Las primeras noticias que tenemos de un edificio de culto en este espacio se remontan al siglo VIII, cuando fue construida una iglesia, dedicada a San Salvador, por el rey Fruela. Este templo fue arrasado por los árabes, liderados por Abd el Melik, en el año 794.

Bajo el reinado de Alfonso II se construye una basílica prerrománica, situada junto al palacio real, que perduró hasta finales del siglo XIV, momento en que se construye la actual catedral gótica. La construcción del templo se prolongó hasta bien entrado el siglo XVIII.

La catedral tiene planta de cruz latina con tres naves góticas, la central más ancha y alta que las laterales. También se construyeron capillas laterales en el espacio que hay entre los contrafuertes. La nave central y el crucero están cubiertas con bóveda estrellada muy simple. En las naves laterales, en cambio, se utilizó la bóveda de crucería simple. El transepto no es demasiado largo, ya que está condicionado por la existencia de la Cámara Santa, uno de los elementos más preciados de la catedral, en el lado derecho y por la Capilla del Rey Casto, en referencia a Alfonso II en el izquierdo. La cabecera está formada por un único ábside poligonal en el que podemos encontrar una amplía girola y capillas laterales.

Sobre las naves laterales encontramos un triforio que se comunica con la nave central a través de una galería de arcos apuntados, que contienen dos arcos más pequeños también apuntados decorados con tracerias de estilo flamígero.

El retablo mayor es del siglo XVI y es uno de los más interesantes de los que podemos encontrar en las catedrales españolas, tanto por sus dimensiones, como por la suya calidad.

La fachada tiene un pórtico, que ocupa todo el muro, y una esbelta torre del siglo XVI. En el proyecto originario se preveía construir otra flanqueando la fachada, pero la carencia de presupuesto no permitió edificarla. La torre actual tuvo que reconstruirse después que en el año 1575 un rayo la derruyó parcialmente.  Formada por cinco cuerpos, llega a los ochenta metros de altura, diecisiete de los cuales son de la esbelta aguja. Tardó sesenta años en construirse y en ella se mezclan características góticas con elementos decorativos renacentistas.

El templo tiene otra torre. Se trata de la Torre Vieja o antiguo campanario de la basílica. Construida en el siglo XII, se levanta como una grande mole de piedra de planta cuadrada. El primer tramo es prerrománico. Sobre éste se levantan dos pisos románicos. En el primero se abre una ventana de medio punto, por encima de la cual podemos ver un gran arco ciego y una imposta. En el último piso se abren dos ventanas de medio punto en cada lado. Estos arcos están decorados con una arquivolta que se sustenta en un par de columnas con capiteles decorados con imágenes de aves y entrelazados.

El pórtico de la fachada principal está formato por tres arcos, todo ellos de dimensiones diferentes. El principal es el más grande. A continuación va el de la puerta de los peregrinos (lado derecho) y el más pequeño corresponde a la puerta izquierda. Los arcos están decorados con cenefas y elementos florales.  El pórtico está cubierto con bóveda de estrella.

La puerta principal está coronada por un relieve, colocado en siglos posteriores, que representa la Transfiguración del Salvador. Debajo encontramos dos puertas gemelas de madera de nogal decoradas con la imagen del Salvador, a quien está dedicado el templo, y de Santa Eulalia de Mérida (patrona de la diócesis), rodeadas de motivos geométricos y florales.

Otro elemento interesante de la catedral es la Capilla del Rey Casto. Se accede a ella por el lado izquierdo del crucero, a través de un arco de factura gótica y similar a los de la fachada principal. Está formato por tres arquivoltas apuntadas, dos de las cuales están decoradas con imágenes religiosas. Destaca la imagen policromada de la Virgen con el niño que hay en el parteluz.  A ambos lados de la puerta encontramos las imágenes de Santiago y San Pedro a la derecha y de San Pablo y San Andrés a la izquierda. En el tímpano hay esculpida la imagen del Cristo resucitado al que acompañan dos ángeles.

La capilla fue construida en el siglo XVIII, a partir del solio de la basílica prerrománica de Santa Maria que había sido fundada por Alfonso II como panteón real. Esta es precisamente la función que sigue desarrollando la capilla ya que en los pies de la nave podemos encontrar el panteón de los reyes asturianos. También hace falta mencionar las imágenes esculpidas en las pechinas de los arcos torales que corresponden a algunos monarcas asturianos.

En el lado izquierdo del crucero, adosado a un pilar, encontramos la imagen románica del Salvador. Se cree que fue tallada a principios del XII y que originariamente estaba colocada en el ábside de la basílica prerrománica.

El claustro actual sustituye a uno anterior románico (siglo XII) del que todavía se pueden observar algunos restos. Tiene planta rectangular y lo forman 14 ventanales apuntados con tracerias góticas y 167 capiteles esculpidos. Fue construido entre los años 1300 y 1441. El hecho que se tardara casi un siglo y medio en edificarlo ha hecho que se puedan distinguir tres etapas constructivas diferentes. En la primera (1300-1350) se construyó la galería norte y los dos tramos más próximos de la galería oeste (ante la sala capitular) con un gótico podríamos decir "clásico". El segundo periodo constructivo (1345-1400) permitió edificar el resto de la galería oeste y la del lado sur, siguiendo las tendencias del gótico manierista. En la última fase (1412-1441) se levantó la galería este con un gótico flamígero. El piso superior responde a los cánones barrocos del siglo XVII.

La reciente restauración del claustro ha permitido comprobar que originariamente estaba policromado, ya que se pueden observar restos de los pigmentos en diferentes puntos.

En el lado oeste podemos encontrar la sala capitular. Es el elemento gótico más antiguo de la catedral, ya que fue iniciada en el año 1293 y acabada veintiún años más tarde . Tiene planta cuadrada y está cubierta con bóveda estrellada. Actualmente podemos observar en su interior el conjunto de sillas del coro de la catedral, que fue retirado del templo el año 1901.