La cathédrale se dresse à l’endroit où les Wisigoths avaient précédemment construit la basilique de Santa María la Mayor, tandis que les musulmans ont fait de même avec leur grande mosquée.
Sa construction a commencé en 1226, lorsque le roi Fernando III et l’archevêque de Tolède Rodrigo Jiménez de Rada l’étaient. Le premier à diriger les travaux fut un certain maître Martín, dont on ne sait que peu ou pas du tout, relevé peu après par Pedro Pérez selon une pierre tombale conservée dans le temple lui-même. Sa construction s’est terminée en 1492 si l’on prend pour fin la fermeture de sa dernière voûte.