La Catedral del Cuzco es resultado de diversos proyectos elaborados por distintos arquitectos que se relevaron al frente de las obras. La primera catedral del Cuzco es la Iglesia del Triunfo, construida en 1539 sobre la base del palacio de Viracocha Inca. En la actualidad, esta iglesia es una capilla auxiliar de la Catedral.

En 1538, luego del regreso de Vicente Valverde con las cédulas reales que lo reconocían como obispo del Cusco, inició la construcción de una catedral mediante auto de erección del 4 de septiembre de 1538. Sin embargo, esta obra quedaría en sus inicios tal como se desprende de la respuesta del Cabildo del Cusco al requerimiento del dean de la Catedral Luis de Morales que señalaba que la obra se suspendía hasta el verano siguiente[2]​. En los años siguientes, ante la estrechez del solar asignado, se intentó mudar la catedral primero hacia la parte que antiguamente correspondía al palacio del Pachacútec llamado Qasana y que Francisco Pizarro reservó para él (actual Portal de Panes de la Plaza de Armas). Sin embargo, esa mudanza fue imposible debido a que, en 1538, Pizarro había cedido ese solar a los Franciscanos. Se buscó entonces utilizar la parte del antiguo Cusipata donde actualmente se levanta el Hotel de Turistas del Cusco pero dicha idea también fue descartada hacia los años 1540 debido a la oposición de los Mercedarios que ya habían ocupado el solar que aún ocupan en la actualidad y que quedaría muy cercano a la catedral[3]​.

Ante esta situación, por iniciativa del segundo obispo del Cusco Juan Solano, el Cabildo decidió la compra del solar de Alonso de Mesa colindante al asignado para la construcción de la catedral y que se correspondía con el antiguo Kiswarcancha que fuera el palacio de Viracocha. Esta decisión fue tomada el 17 de mayo de 1552[4]​.

Entre los años 1560 y 1664 se construyó la Basílica Catedral de esta ciudad. Su construcción fue confiada a Juan Miguel de Veramendi en 1560, quien fue sustituido dos años más tarde por Juan Correa quien trabajó hasta 1564[5]​. A este le siguieron Juan Rodríguez de Rivera, Juan Cárdenas, Juan Toledano y Bartolomé Carrión. No obstante, cuando el Virrey Francisco de Toledo llegó al Cusco entre 1570 y 1572, la construcción de la catedral estuvo detenida[5]​. En 1615 se hizo cargo de la dirección de la obra Miguel Gutiérrez Sencio, un arquitecto seguidor de Marco Vitruvio y Jacopo Vignola, y admirador del estilo sobrio y puro instaurado por Juan de Herrera en El Monasterio de El Escorial. Bajo su dirección, se culminó la catedral del Cuzco en 1654[6]​.

El terremoto de 1650 causó poco daño en la catedral salvo el derrumbe de la bóveda de crucería. Este sismo motivó el cambio de los planos de la fachada en su parte superior y la supresión del tercer cuerpo en las torres, razón por la que se tiene demasiado volumen en el cuerpo, quedando cortas las torres dando la apariencia de solidez al edificio[7]​.

La misa de estreno de la catedral fue el 15 de agosto de 1654 y la consagración definitiva de la misma fue el 19 de agosto de 1668 por parte del decimotercer obispo del Cuzco Bernardo de Isaguirre Reyes[8]​.

El material constructivo fue la piedra procedente de áreas cercanas y también se reutilizaron bloques de granito de color rojo desde la fortaleza conocida como Sacsayhuamán.

Fue reconocida como Basílica menor de la Iglesia Católica, el 8 de febrero de 1928. La construcción, de tres naves, se levanta sobre una planta de tipo salón. Un detalle que sorprende es la fusión entre el orden de los capiteles y frisos y el tipo de cubierta utilizado: la bóveda de crucería, característica del gótico. Ello da pie a una sorprendente amalgama de estilos, frecuente en el estilo Barroco de Latinoamérica. La famosa imagen del Señor de los Temblores se venera en la catedral.

Esta catedral, de fachada renacentista e interiores barroco, tardo-gótico y plateresco, posee una de las más destacadas muestras de orfebrería colonial. Importantes son igualmente sus altares de madera tallada.

Puesto que en esta ciudad se desarrolló la pintura sobre lienzos de la célebre Escuela cuzqueña de pintura, la más importante de la América Colonial, en la catedral se pueden observar precisamente importantes muestras de artistas locales seguidores de esta escuela.