Будівництво першого великого іспанського собору в готичному стилі було замовлено королем Фердинандом III Кастильським і Мауріціо, єпископом Бургоса. Приводом було весілля Фердинанда з Беатрікс Швабською. Вважалося, що адекватна єпископська церква підкреслить змінену роль Кастилії в європейському розподілі влади. Будівництво розпочалося 20 липня 1221 року на місці колишнього романського собору. Відповідальним архітектором-забудовником був француз, невідомий по імені. Після дев'яти років було завершено будівництво апсиди. Головний вівтар був вперше освячений 20 липня 1260 року, потім будівництво припинилось на майже 200 років.

1417 року єпископ Бургоса відвідував Констанцький собор і побачив у цій поїздці готичні собори Франції та Німеччини. Його наступник Альфонсо де Картахена, відвідуючи 1435 року Базельський собор, побачив завершену вежу Базельського Мюнстера і повернувся до Іспанії з німецьким архітектором Йоганном Кельнським (ісп. Juan de Colonia), який добудував вежі Бургоського собору, запозичивши їх форму у Базельського Мюнстера, з відкритим різьбленням по каменю. Він також точно знав про фасадні плани 1310/20 року запланованої вежі Кельнського собору. Побудована ним вежа над середохрестям впала 1539 року і була відбудована у подібній формі. Будівництво собору було завершено 1567 року відбудовою вежі середохрестя, однак до 1734 року у нього вносились зміни і доповнення.

 Кафедральний собор Санта-Марія-де-Бургос

В 1835 році іспанський національний герой Родріго де Діас Вівар, El Cid, і його дружина донья Хімена були перенесені з монастиря Сан-Педро-де-Карденья в Бургос і перепоховані в соборі. В 1921 році було прийнято рішення створити більш гідну могилу. Зараз вона розташовується в середохресті і вкрита мармуровою плитою простого дизайну. Протиріччя між значенням Сіда та невражаючим дизайном його могили в Бургосі пояснюється тим, що мармурова плита є тільки зовнішнім завершенням могили, а його гробницею в цілому є сам Кафедральний собор Бургоса.

26 вересня 1887 собор був оголошений Національним пам'ятником (ісп. Monumento Nacional) Іспанії. Папа Пій XI присвоїв йому 13 липня 1921 року титул малої базиліки. 31 жовтня 1984 року собор був включений ЮНЕСКО до списку Світової спадщини і став єдиним іспанським кафедральним собором з цим статусом.