Destruïda pels sarraïns, probablement l’any 793, juntament amb la ciutat romanovisigòtica Orgia o Orgellia , la primitiva església episcopal fou substituïda per una altra, bastida en temps de Carlemany , que el bisbe Sisebut consagrà, el 839, en presència del comte Sunifred I d’Urgell-Cerdanya . Refeta, en estil art romànic , pel bisbe Ermengol (1010-35), fou objecte d’una nova dedicació, l’any 1040, durant el pontificat del seu successor Eribau .
A més de l’altar de Santa Maria, que ocupava l’absis central, en els documents coetanis són esmentats uns altres cinc altars: de sant Esteve, del Sant Sepulcre, de sant Just, de sant Jaume i de sant Ermengol, ja venerat com a sant pocs anys després de mort. Encara que el pla i les característiques siguin desconeguts, cal suposar que la distribució interior i els trets estilístics del nou temple devien ésser semblants als construïts contemporàniament en altres centres importants de la Catalunya comtal, com monestir de Ripoll , Sant Vicenç de Cardona o el proper Sant Serni de Tavèrnoles .
L’església actual, cronològicament la quarta de les conegudes, començada pel bisbe Ot d’Urgell (1116-22), rebé un impuls decisiu el 1175, en encarregar-se de la seva continuació el mestre Ramon Llambard, de nom —i probablement també d’origen— italià, el qual, mitjançant contracte estipulat amb el capítol, es comprometé a cloure la volta en el termini de set anys, acabar el cimbori i aixecar les torres dels campanars.
Les guerres, el saqueig de la Seu per les tropes d' Arnau I de Castellbò i Ramon Roger I de Foix (1195-96) i la disminució dels recursos econòmics obligaren a interrompre les obres a la fi del s. XII, i ja no foren continuades. Les parts que restaven inacabades han estat revestides de pedra durant les darreres campanyes de restauració, entre els anys 1955 i 1974. Amb la supressió dels nombrosos afegits posteriors hom aconseguí, d’altra banda, de retornar-li l’aparença exterior original, amb la recuperació, entre altres elements destacats, del portal de la façana septentrional davant l’antiga plaça dels Oms, i fou completada, així mateix, la reforma de l’interior, desfigurat pels enguixats amb què havia estat recobert al s. XVIII, reforma iniciada el 1918 pel bisbe Joan Benlloch.
Exemplar únic dins el conjunt del romànic català per les seves característiques italianitzants, visibles sobretot en l’estructuració ornamental de la façana, coronada per un esvelt campanaret amb dos pisos de finestres geminades, i en la galeria que recorre la part superior del transsepte i l’exterior de l’absis, la catedral urgellenca és una basílica de tres naus, amb un creuer extraordinàriament llarg, dotat d’una cúpula i cinc absis, dels quals només el corresponent a la nau central, amb la seva graciosa absidiola inscrita dins el gruix del mur de tancament i presidida per la imatge de santa Maria, sobresurt a l’exterior.
La imatge, romànica, tallada en fusta policromada, del s. XIII (restaurada el 1922), titular de la catedral i patrona de la ciutat, és coneguda d’antic per “la Mare de Déu d’Andorra”, on, segons la llegenda, estigué amagada durant la invasió sarraïna. El gruix i la solidesa dels murs, les dues torres que emmarquen la façana i les altres dues, de grans proporcions, situades als extrems del creuer, permeten de suposar que els constructors no exclogueren la possibilitat d’una eventual utilització de l’edifici, a part la seva destinació sacra, com a lloc de refugi i de defensa en cas d’atac o d’envaïment de la ciutat, la qual cosa, de fet, s’esdevingué en més d’una ocasió.
Dels portals, cinc en total, oberts al frontis i als flancs del nord i del sud de l’església, els dos darrers són els més evolucionats, i assenyalen el trànsit cap a unes fórmules constructives i ornamentals característiques del s. XIII. La decoració esculpida revela, tanmateix, un parentiu estret amb la dels capitells del claustre, tots ells exclusivament de tipus ornamental o figuratiu, d’una clara influència rossellonesa. Pel que fa a aquest, de planta rectangular, de les quatre galeries que l’integraven avui només en resten tres d’originals, puix que l’ala de llevant, per motius utilitaris, fou enderrocada i substituïda el 1603 per una construcció d’un altre estil.
Quant a les pintures murals, datades del sXIII, no se n'ha conservat cap en els emplaçaments originals, i totes foren arrencades poc després de ser descobertes, cosa que fa problemàtica la identificació de l’origen en molts casos. Destaquen les de la capella de santa Caterina, tres de les quals corresponents al cicle de Santa Caterina (una exposada al Museu Episcopal de Vic des del 1933, la segona propietat d’una fundació suïssa i la tercera adquirida el 2008 pel Museu Nacional d’Art de Catalunya a una entitat bancària) i una a la santa Cena, també al Museu Episcopal de Vic des del 1933.
Res no ha romàs, en canvi, del cadirat gòtic del cor, obrat en la primera meitat del s. XV, ni del retaule, amb aplicacions d’argent, del 1350, ni tampoc del que el substituí, el 1631, de fusta policromada, inspirat en el que hi havia a la catedral de Barcelona. L’actual altar major fou construït el 1962, prescindint de l’ara del s. XI, de marbre blanc i de factura semblant a altres ares catalanes de la mateixa època, retrobada uns quants anys abans i que avui resta exposada a la veïna església de sant Miquel.