El edificio catedralicio se asienta sobre la Cripta -Capilla del Cristo-, el monumento más antiguo de la ciudad, ubicado a su vez sobre estructuras romanas aún parcialmente visibles. Su construcción data de comienzos del siglo XIII. Se trata de un espacio rectangular, de reducidas proporciones y escasa altura, con cubierta abovedada, y organizado en tres naves, la central ligeramente más ancha, cuatro tramos y ábsides.

      A finales del siglo XIII se inició la construcción de la iglesia superior, la cual se prolongó durante todo el siglo XIV. La iglesia primitiva, notablemente modificada, tuvo tres naves -la central más alta y ancha-, cinco tramos y los correspondientes ábsides. Como elementos sustentantes destacan los altos pilares de ocho columnas que acaban en capiteles con figuras zoomorfas, vegetales y humanas.

      Sobre este núcleo, el tiempo y las necesidades fueron complicando la planta y el alzado. Así, en los siglos XVI y XVII se llevaron a cabo significativas reformas. En la nave del evangelio se abre una comunicación con el Palacio del Abad, se construye el pórtico del muro norte que protege la entrada a la Cripta, y se edifica la capilla del Rosario -1618-. En la nave de la epístola se abren capillas renacentistas y barrocas en el muro sur -capilla barroca del siglo XVII de D. Antonio Azoños, capilla de Santa Catalina fundada por D. Fernando Herrera (1624-26), y capilla de D. Juan de Alvarado (1604) con retablo del siglo XVIII dedicado a Nuestra Sra. Bien Aparecida. Finalmente, en 1697, el abad Navarrete decide, en la cabecera del templo, modificar el antiguo crucero y el presbiterio, formando un ábside único, recto, que perduró hasta la reconstrucción del siglo XX.

      Con motivo del incendio que asoló Santander en 1941, se llevó a cabo la última y más amplia reforma, que dirigió el arquitecto Bringas. Toda la cabecera actual lleva un crucero en cuyo centro se alza una cúpula octogonal sobre trompas gallonadas. Las naves laterales se prolongan en una girola al estilo gótico que rodea el presbiterio y el altar, y que incluye en su grueso muro de cierre dos capillas dedicadas a la Virgen de las Batallas y a San Matías.

      En el interior destacan el retablo mayor, de estilo barroco churrigueresco y procedente de Tamariz de Campos (Valladolid), el sepulcro de D. Marcelino Menéndez y Pelayo, obra del escultor Victorio Macho, y una pila árabe de procedencia desconocida en mármol blanco.

      A la iglesia se accede por una portada gótica con añadidos barrocos, desde el claustro de los siglos XIV y XV. Este se adosa al muro sur, y en cada una de las cuatro alas presenta cinco tramos cubiertos por bóvedas de ojivas. En ellas, a modo de exposición, aparecen algunas esculturas y sepulcros.

      El edificio es Catedral desde 1754, siendo antes Colegiata. Esta fue erigida con el apoyo del rey Fernando III, dentro de su política de potenciación de las villas marineras norteñas.