Como señal de agradecimiento a Dios por la victoria, cedió su palacio para construir la primera catedral.
A través del plano que él mismo dibujó, podemos apreciar cómo se configuraba todo dentro de la gótica: era de ladrillo y mampostería, con tres naves rematadas en ábsides semicirculares, dedicado el central a Santa María, como en la iglesia anterior.
En el año 1868 se encargó la obra a Juan de Madrazo, amigo del influyente restaurador francés Viollet-le-Duc.
Además, Madrazo modificó notablemente la disposición de las bóvedas, y volvió a rehacer desde la arcada la fachada sur, inspirándose en la norte, incluyendo el perdido rosetón.
El objetivo era conseguir la Pulchra Leonina, es decir la catedral en un hipotético estado primigenio de gótico puro, eliminando todo aquello que alterara esa pureza.
Puede afirmarse que esta restauración fue una de las más complejas y arriesgadas realizadas en Europa en el siglo XIX.
Pero también fueron referencia imprescindible en toda Europa para restaurar edificios que décadas más tarde resultarían dañados seriamente en su esqueleto estructural como consecuencia de catástrofes bélicas.
En 1911 Manuel Cárdenas destruyó la Puerta del Obispo, edificio civil que unía la catedral con el Palacio Episcopal.
Desde el año 2009 también se están llevando a cabo la restauración y consolidación de las vidrieras, usando técnicas modernas.
Su estilo es gótico flamígero, con una aguja calada, estando menos acorde con el resto del edificio que su compañera.
Entre esta portada y la siguiente, aparece el locus apellationis, la columna ante la que se administraba justicia en el Reino de León, según normas que se remontan al Fuero Juzgo y al fuero leonés del año 1020, y que provoca la comparación de Alfonso X, patrocinador del templo, con la figura del rey Salomón, representado al fondo sobre la columna.
La portada central, llamada de la Virgen Blanca o del Juicio Final, está presidida por el Cristo Juez que muestra sus estigmas, mientras los ángeles portan los instrumentos de su martirio y la Virgen y San Juan se arrodillan como principales intercesores.
Junto a las puertas, aparecen esculturas de santos, evangelistas y protagonistas del Antiguo Testamento.
Fue la zona que más sufrió los problemas constructivos de la catedral, y por ello fue reconstruida en varias ocasiones.
La portada sur también cuenta con tres pórticos, al estilo de las catedrales góticas francesas, realizados entre 1265 y 1275.
Las dos naves laterales están perforadas con vanos desde la fachada occidental hasta el transepto, constituyendo los ventanales de la parte baja del edificio.
Esta aligeración de los muros es lo que da lugar a la llamada «desmaterialización» del arte gótico.
Los arbotantes desvían los empujes hacia el exterior permitiendo aligerar los muros, que pueden ser perforados por grandes ventanales.
La tradición organística en la seo leonesa se remonta a la Edad Media, como es habitual en las catedrales europeas.
El altar mayor o capilla mayor de la catedral está actualmente ocupado por un retablo neogótico montado por Juan Bautista Lázaro con cinco tablas procedentes del retablo perdido realizado por Nicolás Francés a mediados del siglo XV, y otras de procedencia diversa (Palanquinos, etc.).
Dispuesta en la nave sur, justo después del crucero, e inmediatamente antes de llegar a la girola.
Muy cerca de ella hay un mutilado Ecce Homo, pintura bella a excepción del Cristo, pintado para sustituir al antiguo por la puerta que se abrió en su lugar.
Otra obra fundamental suya son las pinturas murales que decoran gran parte de las paredes del Claustro.
Los ventanales medios o triforio, constan de escudos nobiliarios y eclesiásticos, representando a la nobleza.
Habría tres épocas principales: Se cree que una vidriera, llamada «la cacería», no fue hecha para el edificio y procede de un palacio real.
Su nombre alude a los distintos jinetes y hombres armados dispuestos para la caza que en ella puede verse.
También destacan las apariciones de reyes en los ventanales, sobre todo Alfonso X el Sabio, en cuyo reinado se inicia la catedral.
Una construcción similar, la porta principalis dextra, existió al extremo contrario del campamento, donde hoy se ubica el Palacio de los Guzmanes.
Ambas se unirían por medio de la via principalis, cuyo trazado hereda la actual calle Ancha.
En la zona norte está la llamada cripta de Menéndez Pidal, descubierta por este historiador y no abierta al público, que correspondería al caldarium de las termas, utilizada como cámara funeraria en la Edad Media, donde se conservan cinco sepulcros.