Die Hauptbauzeit der ca. 90 m langen und 30 m breiten Kathedrale liegt zwischen den Jahren 1255 (oder kurz vor 1255) und 1302 (oder 1303; fast vollendet, aber ohne Türme). Seitdem im Jahr 1254 Martín Fernandez zum Bischof ernannt wurde, ist in den schriftlichen Quellen häufiger von einer „neuen Kirche“ die Rede.

Erster Baumeister war offenbar der „Meister Enrique“, der zuvor zwischen 1243 und 1260 das Querschiff und das Langhaus der Kathedrale von Burgos erbaut hatte (auch ein Spanier namens Juan Pérez wird erwähnt). „Meister Enrique“ hatte von 1255 bis 1277 die Bauleitung inne. Er orientierte sich aber nicht – wie Burgos und Toledo – an der Kathedrale von Bourges, sondern an der Kathedrale von Reims. Die Erfahrungen, die „Meister Enrique“ in Burgos gemacht hatte, veranlassten ihn offensichtlich zu einem Wagemut, der sich Jahrhunderte später sehr rächte. „Er verfeinerte und reduzierte das Profil der Pfeiler und schuf ein verglastes Triforium“ (Swaan, S. 272). Später mussten viele Öffnungen zugemauert werden. In der Mitte des 19. Jahrhunderts stand das Bauwerk kurz vor dem Einsturz und musste vollständig restauriert werden. Der Neubau zog sich hin von 1859 bis 1901.

Drei Jahre nach Baubeginn war 1258 der Kapellenkranz im Bau. Im Jahr 1302 wurden die Arbeiten offenbar eingestellt, wahrscheinlich wegen finanzieller Probleme. Hier mag auch der Grund liegen für das vergleichsweise kurze Langhaus von lediglich fünf Jochen, für die Turmlosigkeit des Querhauses und für die eigenartige Fassadenkonstruktion. Die oberen Teile der Kathedrale wurden erst im Jahr 1439 fertiggestellt. Die technische Ausführung des Bauwerkes war eher bescheiden, deswegen wurde im 19. Jahrhundert eine gründliche Restaurierung notwendig.