Los núcleos de población más importantes, a orillas del río Pisuerga, eran Cabezón y Simancas, en cuyas tierras jurisdiccionales iban surgiendo las villas agrícolas.

Esto viene a demostrar la importancia que iba adquiriendo Valladolid en la vida religiosa y civil.

Aun así, el atrio quedaría algo elevado por lo que fueron necesarias unas escalinatas para su acceso (esta nueva disposición será respetada por los planos de la catedral de Herrera y así es como se ve la catedral en el presente).

La idea era llegar al crucero, que caería en la zona del antiguo claustro, y empezar entonces la demolición total.

Así las cosas, el conde Ansúrez tuvo que preparar su auto exilio a tierras de Urgel donde gobernaba su yerno Armengol.

Con Armengol VI llamado el de Castilla (nieto del conde Ansúrez) se llegó a un acuerdo que fue en realidad una claudicación, entregando la colegiata al obispo de Palencia y concertando que en ese momento este nombrase abad al arcediano Nicolás.

La nave central se cubriría con una gran cañón corrido con lunetos y las laterales con bóvedas de arista, mientras que el crucero lo haría con una cúpula vaída (el cimborrio que aparece en algunos dibujos no se debe a Herrera y se añadió a los planes del proyecto avanzado el siglo XVII, buscando una silueta más movida y barroca al exterior).

En 1589 se compró más piedra para labrar las basas y zócalos de los pilares interiores.

En 1594 ya se estaban preparando los cimientos del crucero, que irrumpiría en el claustro de la anterior colegiata.

Sin embargo, faltaban todavía bastante años para su consagración, así es que la liturgia siguió celebrándose en el edificio de la antigua colegiata.

[33]​ La cuarta colegiata que terminó siendo catedral se empezó a construir por los pies, es decir por su fachada sur.

A esta fachada habría estado pegado el claustro diseñado por Herrera si se hubiera construido.

Estas dos últimas nunca llegaron a construirse y de las otras dos solo se levantó la del oeste.

En su alzado, según los planos, las torres constan de tres cuerpos que se rematan en media naranja y linterna.

La torre empezó a dar problemas, y a lo largo del siglo XVIII se hicieron tres reparaciones, hasta que en el siglo siguiente, en 1841, se desmoronó toda la parte de arriba, arrastrando gran parte del tercer y segundo cuerpo.

Hubo entonces numerosas críticas ante la escasa esbeltez de la torre y su poca altura, con lo que Iturralde se vio obligado a construir sobre lo edificado dos cuerpos ochavados más: uno con el reloj y otro con una nueva sala de campanas, similar a la del primer piso (ya construido en ese momento) del cuerpo ochavado.

El crucero ideado por Herrera no existe como tal porque fue convertido en espacio para la capilla mayor y dos laterales.

En sus extremos desemboca en dos portales pero solo está realizado, con puerta de acceso y gran portada, el cuerpo bajo del correspondiente al lado este, como ya se ha dicho.

En el centro hay un altar adornado con un frontal que presenta un trabajo de repujado en plata, obra barroca del siglo XVIII.

En 1763 se empezó a colocar la reja costeada por el obispo de Valladolid Isidro Cosío y Bustamante.

En 1764 se llevó a cabo el dorado, probablemente por doradores segovianos que eran los más expertos en esta época.

Un año antes se había situado el coro en la nave central, con la sillería gótica de la antigua colegiata.

Los dos órganos fueron reformados en 1792, construyéndose una caja nueva neoclásica para el del lado de la Epístola.

[73]​ Se tiene noticia de arreglos y reformas en los órganos barrocos a lo largo del siglo XIX.

Tiene un retablo neoclásico, realizado por Jorge Somoza en 1846, que se organiza a modo de arco del triunfo, con cuatro grandes columnas corintias.

La capilla se cierra con una reja del siglo XVII, rematada con crestería barroca tallada en madera.

La capilla se cierra con una reja del siglo XVI, quizás procedente de la colegiata, y colocada aquí en 1674.

Se cierra la capilla con una reja de hierro con crestería barroca en madera realizada hacia 1655 por un rejero anónimo vallisoletano.

Sobre la lápida se encuentra una tosca escultura de madera representando al conde en posición supino-horizontal, con casco y armadura.

[80]​ Originalmente dedicada a la Magdalena, fue realizada en 1712, y cambió su advocación en 1843 por la de San Pedro Regalado, en honor al santo local.