Après la pose de la première pierre par Ferdinand III et l'évêque Don Mauricio (es) le 20 juillet 1221[1],[2], la construction de la cathédrale s'effectue en deux grandes étapes correspondant à deux styles de gothique :

au XIIIe siècle les nefs et les portails sont édifiés par des architectes locaux d'après les plans rapportés par l'évêque Don Mauricio d'un voyage à travers la France, alors en pleine « fièvre » gothique. La construction a commencé par le chevet et le chœur. Le statut capitulaire édicté par l'évêque Mauricio en 1230 montre que le chapitre de la cathédrale prend alors possession du nouveau chœur. Les chapelles rayonnantes construites sur le déambulatoire sont plus petites que les chapelles actuelles qui sont reconstruites en 1270-1280. Les études mont montré que ce début de construction de la cathédrale de Burgos a été inspiré par le plan de la cathédrale de Bourges. Les plans de la cathédrale sont modifiés vers 1235 quand commence la construction du transept. Vers 1250, les deux bras du transept, les murs des collatéraux et la partie centrale de la nef centrale sont achevés. Au moment de la consécration de la cathédrale, en 1260, les travées ouest de la nef centrale et les deux premiers niveaux de la façade occidentale sont édifiés. La cathédrale devait être entièrement couverte à cette date. La construction de l'édifice est pratiquement terminée pendant le règne d'Alphonse X de Castille. Elle fait l'objet d'un programme de modification pour la mettre dans le style gothique rayonnant avec les sculptures des galeries des façades du transept, vers 1260, le troisième niveau de la façade occidentale, vers 1265 et les nouvelles chapelles rayonnantes, vers 1270-1280. On ne connaît pas de nom de maîtres d'œuvre de la cathédrale avant 1260. Le premier maître d'œuvre connu est Enricu, mort le 10 juillet 1277, en même temps que sa fille Helisabet. Il était aussi le maître d'œuvre de la cathédrale de Léon. Il exerçait à Burgos depuis 1261[3] au XVe siècle, une nouvelle tranche de travaux élève les flèches de la façade, la chapelle du Connétable et la décoration des chapelles des bas-côtés. C'est alors le style nordique qui s'implante car Alonso de Carthagène, un autre grand prélat de Burgos, a ramené avec lui à son retour du Concile de Bâle plusieurs architectes et sculpteurs venus de Flandre, de Rhénanie et de Bourgogne. Ces artistes trouvèrent dans l'art local, imprégné d'arabesques mudéjares, une source de renouvellement du gothique flamboyant qui s'affadissait alors dans le reste de l'Europe. Felipe Bigarny, le Flamand Gil de Siloé et Jean de Cologne le Rhénan se distinguent tout particulièrement. S'assimilant rapidement, ils créeront de véritables lignées de sculpteurs burgalais : Gil avec son fils Diego, Jean avec son fils Simon et son petit-fils François.

Le cloître avait été construit entre-temps au XIVe siècle; quant à la magnifique tour-lanterne de la croisée effondrée après les travaux audacieux de Simon de Cologne, elle dut être réédifiée par Juan de Vallejo au milieu du XVIe siècle.