La catedral immediatament posterior a la conquesta cristiana (i potser també la dels segles V-VIII) era a l’emplaçament de l’actual. La restauració de la vida canonical consta des del 882, època a partir de la qual van unides les comunitats canonicals de Santa Maria i de Sant Feliu. El bisbe Pere Roger restaurà l’edifici el 1015, i decidí la construcció de la catedral romànica, que fou consagrada el 1038, de la qual restà només una part de l’anomenada torre de Carlemany. Hi havia vint canonges (vint-i-quatre des del 1229), entre els quals quatre ardiaques (de Girona o major, de Besalú, d’Empúries i de la Selva). Al segle XII fou construït el claustre romànic, amb una gran profusió de decoració (escenes de l’Antic Testament i del Nou). La catedral fou ampliada, a partir del 1312, amb un absis i un deambulatori gòtics, nou capelles i l’inici de tres naus gòtiques, sota la direcció d’Enric de Faveran o de Narbona i el seu germà Jaume; hi col·laborà també l’escultor Guillem de Corts. Les obres foren deturades el 1347, i el 1357 fou iniciada una nova etapa, sota la direcció dels mestres Pere Capmagre (1357-59), Francesc Saplana (1360-69) i Pere Sacoma (1369-94), que decidiren d’iniciar els murs d’una nau central i única; la variació de tres naus a una, ideada el 1360, no fou posada en pràctica fins el 1386, que Sacoma feu el primer tram, però les obres foren paralitzades per temor que l’estructura no resistís. Continuaren treballant-hi els mestres Guillem Morei i Guillem Bofill. Després de diverses consultes i vacil·lacions, el 1416 fou convocada pel bisbe Dalmau de Mur una consulta de dotze mestres d’obres del Principat i de Mallorca i, sota la pressió de Bofill, hom decidí d’emprendre la construcció d’una única volta per a la gran nau, amb què s’acabà la catedral: té 50 m de llargada, 34 d’alçada i 22,98 d’amplada (la volta gòtica més ampla que mai ha estat feta). L’obra durà, però, fins el 1604. El campanar fou bastit a partir del 1580, i la gran escalinata d’accés (de noranta graons), a la fi del segle XVII; la façana, completada recentment, fou projectada per Pere Costa el 1730. La porta dels Apòstols, que devia ésser la principal, hom la va acabant actualment, segons el primitiu projecte, atribuït a Guillem Morei (1366).
A l’interior es conserven la cadira episcopal i l’ara de marbre del segle XI, el baldaquí d’argent repussat (segles XIII-XIV) i el retaule (1325), també d’argent repussat, obra del mestre Bartomeu, de Pere Beneç i de Ramon Andreu, i nombroses tombes, algunes de les quals amb decoració gòtica. A la banda de ponent del claustre, entre la catedral i la torre Cornèlia (1362), hi ha les sales capitulars, amb peces com el Tapís de la Creació (segle XII, restaurat al Centre de Restauració de Béns Mobles del Departament de Cultura el 2012), el Beatus (segle X), l’arqueta de Hišām II, les butlles en papirs del 891 i el 897, l’estàtua de Carlemany (venerat durant segles com a sant) o de Pere III (segle XIV) i el ric arxiu documental catedralici.
L’any 2011 s’hi celebrà la dedicació de l’altar major, que representà la finalització de la reforma del presbiteri a fi d’adaptar-se a la normativa aprovada en el concili II del Vaticà. Era la quarta dedicació documentada (les anteriors havien estat el 1038, el 1346 i el 1939). L’any 2019, en unes obres de restauració del retaule del Corpus Christi a la capella de Sant Martí i Sant Francesc, hom descobrí un gran vitrall (3 m d’alçària per 1,30 m d’amplada) format per deu plafons datats d’entre la primera meitat del segle XIII i el final del XIV. Es tracta del vitrall figuratiu conegut més antic de Catalunya.