El año 916, Ordoño II, rey de león, donó su palacio para que se construyera la primera catedral de León, siendo el obispo de la diócesis Fruminio. Este edificio fue arrasado por Almanzor a finales del siglo X, pero inmediatamente se reconstruyó. Las numerosas disputas políticas y bélicas de la época debilitaron considerablemente la catedral y Pelagio II, obispo entre 1065 y 1073 hizo reconstruir el templo, con el apoyo de Fernando I de León. En este caso se edificó una catedral románica, si bien con algunas influencias góticas, realizada en ladrillo y con tres naves, rematadas por el este con tres ábsides semicirculares. Los cimientos de esta construcción todavía se conservan bajo de la actual catedral.

Fue a finales del siglo XII, coincidiendo con un momento de esplendor del reino de León, que el obispo Manrique de Lara decide construir una nueva catedral con el apoyo del rey Alfonso IX. Por motivos que se desconocen las obras se pararon cuando apenas se habían acabado los cimientos.

En el año 1253, el obispo Martín Fernández empieza la construcción del templo actual, que sigue con fidelidad los modelos franceses de la época, pero con menor altura.

La mala calidad de la piedra utilizada, poco resistente a los factores atmosféricos y la deficiente cimentación, debido a estar construida sobre unas termas romanas, han provocado varios problemas a lo largo de los siglos, que se han tenido que ir solucionando y por lo tanto provocando variaciones en el proyecto inicial. Las primeras reparaciones están documentadas a finales del siglo XIV, cuando se desequilibraron los pilares del lado sur. Posteriormente, en 1631 , se derrumbaron parte de las bóvedas de la nave central. Se cubrió el crucero con una gran cúpula barroca y años más tarde se construyeron cuatro grandes pináculos para garantizar la estabilidad del brazo sur del transepto.

El terremoto de Lisboa de 1755 agravó los males del templo, afectando a las vidrieras y los maineles de los ventanales. También se desprendieron algunos bloques de piedra del sector sur, que provocó que se reforzaran con contrafuertes todos sus muros.

En 1857 volvieron a desprenderse algunos de los sillares de las bóvedas y fue necesaria una nueva actuación. En este caso se desmontaron la cúpula del crucero y los pináculos. En 1869 se hace cargo de la restauración Juan Madrazo, un arquitecto medievalista y gran conocedor del  gótico francés, el cual rehizo parte de las bóvedas para devolver al templo su aspecto original. Lo sucedió Demetrio de los Rios, que continuó con la obra de Juan Madrazo. A su muerte, fue Juan Bautista Lázaro el encargado de acabar las obras con la recuperación de las cristaleras.

El 27 de mayo de 1966 un incendio arrasó todas las cubiertas de las naves.

Las restauraciones y obras de consolidación siguen hoy en día, para preservar la catedral: el mejor ejemplo del gótico francés en la península.

La planta del templo está claramente inspirada en  la catedral de Reims, mientras que el alzado se corresponde más con las de Beauvais y Amiens .

Tiene tres naves, a las que cruza un amplio transepto. La cabecera está formada por un gran ábside, con girola y capillas radiales.

La nave principal es mucho más alta que las laterales lo que permite que sobre los arcos formeros se levante un bello triforio y grandes ventanales, decorados en gran parte con los cristales originales. Los juegos de luces de sus vitrales, que ocupan una superficie aproximada de 1.800 m²  y la uniformidad de sus líneas la convierten en una de las catedrales góticas más bellas de la península.

Destacan especialmente los vitrales del gran rosetón de la fachada oeste, del brazo norte del transepto, de la Capilla de Santiago y los de la Capilla Mayor.

El capítulo de la catedral quedó impresionado por el retablo "transparente" de la Catedral de Toledo y quiso construir una obra similar. Por este motivo contactó con Narciso Tomé, autor de la obra toledana y con su sobrino, que construyeron un retablo barroco, que se instaló en la Capilla Mayor en 1740. Durante las obras de restauración de finales del siglo XIX se decidió retirarlo, por que su barroquismo contrastaba excesivamente con la pureza de las líneas góticas. En la actualidad se conserva en la iglesia de los capuchinos. En su lugar se volvió a colocar el retablo pintado por Nicolás Francés en el primer tercio del siglo XV. Como que algunas de sus tablas se habían perdido se construyó una nueva estructura por alojar las que se habían conservado.

El templo está lleno de sepulcros de nobles y clérigos, principalmente románicos y góticos En el brazo sur del transepto encontramos el sepulcro del obispo Martín Fernández, el impulsor de la actual catedral. Bajo una triple arcada apuntada podemos ver varios relieves, que pese a la erosión, todavía permiten visualizar algunas escenas de la Pasión de Cristo y de la vida de San Martín de Tours.

El sepulcro mejor conservado de toda la catedral es el del obispo Rodrigo Álvarez, situado en la capilla del Carmen.

Situado al la parte posterior de la Capilla Mayor, encontramos el sepulcro del rey Ordoño II. Fue construido en dos etapas claramente diferenciadas. La estatua yaciente y las imágenes del tímpano, que representan la Crucifixión y el Descendimiento de la Cruz, así como a Cristo acompañado por ángeles y profetas fueron esculpidas en el siglo XIII. Posteriormente se amplió la decoración en el siglo XV en estilo flamenco.

A los pies del templo se construyó la fachada occidental, uno de los conjuntos escultóricos más importantes del gótico peninsular. La fachada está flanqueada por dos grandes torres. La del lado izquierdo es conocida como la torre de las campanas se empezó a construir en el siglo XIII, si bien no se acabó hasta bien entrado el siglo XVIII con una aguja octogonal d’estilo churrigueresco. En el lado derecho se encuentra la torre del reloj, coronada con una aguja gótica tardía.

Entre las dos torres encontramos el pórtico, formado por cinco arcos apuntados, que dan paso a un espacio dónde se abren tres puertas, una para cada nave.

La principal es conocida como la Puerta de la Virgen Blanca, por la talla que hay en el mainel.

La escultura es una réplica de la original, que se conserva a l’interior del templo. Fue tallada en 1250 por un escultor desconocido y en 1551 fue pintada y dorada por Antón Fernández de Meras.

El tímpano y las arquivoltas representan la escena del Juicio Final.

En el dintel se representan las almas de los bienaventurados entrando en el Paraíso, acompañados de ángeles y músicos y las almas pecadores en el Infierno.

Encima suyo encontramos a Cristo, sentado en su trono y haciendo de Juez, rodeado por ángeles que llevan los elementos que representan su martirio. Flanquean la imagen de Cristo, la Virgen María y San Juan, que imploran clemencia por las almas de los pecadores.

Las arquivoltas están decoradas con escenas referentes a la resurrección de los muertos. Santos, ángeles, hombres volviendo a la vida y pecadores en el Infierno llenan las tres arquivoltas apuntadas. En los montantes de las arquivoltas encontramos seis apóstoles. El apostolado continúa por los muros que comunican la puerta central con las laterales.

La puerta del lado izquierdo se conocida con el nombre de Puerta de San Juan. En el tímpano se representan varias escenas repartidas en tres niveles.

En el inferior podemos ver la Visitación, el Nacimiento de Jesús, el sueño de San José y la Anunciación a los pastores.

En el registro de en medio se representaron la visita de los Magos a Herodes, la Epifanía y la Huída a Egipto. En el tercer nivel encontramos la Matanza de los Inocentes.

Flanqueando la puerta encontramos seis figuras, tres a cada lado. De izquierda a derecha encontramos un papa, san Juan Bautista, dos profetas y dos monarcas, uno de ellos representando la Justicia.

La puerta del lado derecho recibe el nombre de Puerta de San Francisco. En el tímpano se representó la dormición de  Maria, rodeada por ángeles y los apóstoles. En el registro superior encontramos la escena de la Coronación de la Virgen.

En los montantes de las arquivoltas podemos ver a tres profetas, San Juan Bautista, una reina y el Salvador.

Sobre el pórtico podemos ver parte de los ventanales del triforio y el gran rosetón de la Gloria,

Corona la fachada la imagen del Salvador, debajo de la que encontramos la escena de la Anunciación .

En el brazo sur del transepto se abren tres puertas más. Este sector, como ya hemos comentado, fue profundamente reconstruido a finales del siglo XIX. La puerta central ese conocida como Puerta de San Froilán, patrón de la diócesis. 

En el mainel encontramos la imagen del santo. Lo flanquean varias esculturas, que representan a un profeta, a la Virgen de la Anunciación, el ángel de la cual está en el museo y a los Tres Reyes con la Virgen y el Niño

En el dintel encontramos un apostolado, que sirve de base para un Cristo en Majestad rodeado por los símbolos del Tetramorfos, por los Evangelistas sentados en pupitres y por ángeles.

La puerta del lado izquierdo se conoce como la Puerta de la Muerte. Sus arcos están decorados con escudos de Castilla y León y con motivos vegetales.

La del lado derecho es la única que no fue reformada en las restauraciones de finales del siglo XIX. Conserva todavía algunos restos de policromía. El tímpano está dividido en tres niveles. En el inferior hay una procesión de clérigos, en el de en medio un obispo yace entre ángeles turiferarios, mientras que dos ángeles más se llevan su alma hacia el Cielo en el registro superior. Es muy probable que represente la muerte de San Froilán.

En el brazo norte del crucero encontramos otra portalada, que nos conduce hacia el claustro. Al haber quedado dentro del edificio catedralicio, ha mantenido gran parte de su policromía, datada en el siglo XV.

Preside el tímpano la imagen de Cristo, dentro una mandorla sostenida por cuatro ángeles. Lo rodean los cuatro Evangelistas.

En el mainel encontramos una imagen de Maria, conocida como la Virgen del Dado. En los montantes encontramos las imágenes de San Pablo, San Pedro, Santiago, San Mateo y de la Anunciación.

El claustro se empezó a construir a finales del siglo XIII y se terminó durante el primer tercio del XIV. Tiene planta cuadrada y seis arcos ojivales en cada una de sus galerías.

En el siglo XV se decoraron sus muros con pinturas al temple realizadas por Nicolás Francés.

En 1540 se reforma el claustro, rehaciendo sus bóvedas y añadiendo contrafuertes a los pilares de las galerías, que están coronados con un bello pináculo.

En los muros del claustro podemos ver sepulcros de diferentes épocas, principalmente góticos.

Una portalada gótica, y posteriormente reformada con detalles renacentistas, comunica el claustro con el templo.

En los montantes vemos esculpidas diferentes escenas como la vida de Job o bien instantes de la infancia de Jesús y de su Pasión.

El claustro es un rico muestrario de elementos escultóricos góticos y renacentistas.

En el muro este podemos ver la imagen de Nuestra Señora de la Consolación, tallada en el siglo XIII por el mismo maestro que realizó la Virgen Blanca.