Tlocrtnom dispozicijom svetišta, s vitkim križno-rebrastim svodovljem unutar triju poligonalnih apsida otvorenih uskim prozorima, nalik je rješenjima iz Francuske (grad Troyes), razradom naknadno podignutih, visinski izjednačenih lađa, odgovara konstrukcijskim rješenjima suvremenog njemačkog graditeljstva, dok maštovita skulptura odražava dodire s češkim školama. Sve to govori, ne samo o ranom prodoru gotike na hrvatski sjever i internacionalizaciji umjetnosti, nego i o onodobnoj važnosti Zagrebačke biskupije i ugledu i moći njezinih biskupa.

Od samog početka katedrala je bila posvećena Blaženoj Djevici Mariji, odnosno Uznesenju Marijinu (pučki Velika Gospa). Sv. Stjepan, ugarski kralj, bio je, premda istican na prvom mjestu, tek drugi patron.

Kralj Ladislav (1040. – 1095.) nakon osnivanja biskupije u Zagrebu najvjerojatnije nije gradio novu crkvu, nego je postojeću odredio za katedralu. Tek nakon njegove smrti počela je gradnja nove prvostolnice. Ona je završena 1217. godine, a posvetio ju je kralj Andrija II. (1205.-1235.) kad je ovuda prolazio u V. križarski rat. Već 1242. godine Tatari su razrušili novoizgrađenu katedralu, pa je biskup Stjepan II. (1225.-1247.) za potrebe katedralnog bogoslužja dao podignuti kapelu sv. Stjepana Prvomučenika. Ta građevina romaničko-gotičkih oblika danas je ugrađena u Nadbiskupski stol.

Biskup Timotej (1263.-1287.) počeo je gradnju nove, monumentalne katedrale u koju su bili ukomponirani ostaci predtatarske katedrale, a posvetio ju je sv. Stjepanu, ugarskom kralju. Uspio je izgraditi središnju i dvije pokrajnje apside s oltarima te sakristiju. Freske u sakristiji (ikonografski veoma zanimljive – sv. Kvirin između sv. Dominika i sv. Franje) vjerovatno su iz vremena biskupa Augustina Kažotića (1303.-1322.). Biskup Eberhard (1397.-1406. i 1410.-1419.) zaslužan je za gradnju triju crkvenih lađa (o čemu svjedoči njegov biskupski grb na zidovima i stupovima), a za biskupa Osvalda Thuza (1466.-1499.) cijela je građevina natkrivena. Tada se počeo graditi zvonik na južnoj strani pročelja, koji je dovršen tek u 17. st., kao renesansno-barokno zdanje.

Zbog turske opasnosti, biskup Thuz započeo je gradnju katedralnih utvrda. Gradnja je trajala sve do 1517. godine kad ih je završio upravitelj Zagrebačke biskupije ostrogonski nadbiskup Toma Bakač. Pred ulazom u katedralu podigao je kulu koja je po njemu nazvana Bakačeva. Ona je srušena nakon posljednjeg preuređenja katedrale 1906. godine.

Zagrebačka katedrala najvelebnije je i stilski najrječitije arhitektonsko ostvarenje crkvenog graditeljstva gotičkog stila jugoistočno od Alpa.

Tijekom 17. st. katedrala je više puta stradavala u velikim požarima, ali tijekom obnova unutrašnjost joj je obogaćivana vrijednim inventarom – baroknim oltarima (drvenim i mramornim) i propovjedaonicom kipara Mihaela Cusse (Kuše) koja se i danas nalazi u srednjoj lađi. Unutrašnjost katedrale obogaćivana je i kasnije. Biskup Aleksandar Alagović (1829.1837.) nabavio je sliku Uznesenja Marijina, koja je bila postavljena na glavnom oltaru te pjevački kor. Nadbiskup Juraj Haulik (1837. – 1669.) uklonio je oltarnu sliku (prodao ju je župnoj crkvi u Pregradi), a umjesto nje dao je podići neogotički glavni oltar. Uz to 1855. godine nabavio je velike orgulje (3 manuala i pedal te 53 registra), tvrtke Walcker iz Ludwigsburga.

Arhitektura orguljnog ormara neogotičkih je stilskih oznaka. Konačno Haulik je dao oslikati prozore svetišta. To su najstariji vitraji u Hrvatskoj. U nastojanju da se katedrali vrati prvotni izgled, u Zagreb je pozvan bečki profesor arhitekture Friedrich Schmidt koji je u Zagreb doveo svog učenika Hermanna Bollea. Međutim, katastrofalni potres 1880. godine teško je oštetio katedralu pa je prema nacrtima H. Bollea katedrala ne samo obnovljena, već je u unutarnjem uređenju dobila obilježja neogotike. To je posebno došlo do izražaja oblikom pročelja i dvaju neogotičkih zvonika (visokih oko 105 m), čime je 1902. definiran sadašnji izgled katedrale. U zadnjih 30-ak godina na katerdrali su poduzimani opsežni obnoviteljski radovi.

Kako je pri Bolleovoj obnovi (zbog ekonomskih razloga i blizine kamenoloma) upotrijebljen nekvalitetan kamen (zagrebački kamenolomi Bizek i Vrapče), ponajviše u novim zvonicima i zapadnom pročelju, ubrzo su, pod utjecajem atmosferilija te osobito gradskog zagađenja (smoga i kemijskih činitelja) počeli propadati. To je najprije bilo uočeno na pročelju katedrale te na kamenoj plastici (npr. tornjići s fijalama) koji su s vremenom bili uništeni do neprepoznatljivosti. Prva obnova dijela južnog zvonika započela je već 1938. (dolaskom komunističke vlasti je prekinuta); nastavljena je 1968. kad je obnavljan vrh sjevernog zvonika, a potom, uglavnom darovima iz hrvatske dijaspore, potpuno je obnovljen dotrajali krov i zamijenjen bakrenim pločama.

God. 1987. nadbiskup Franjo Kuharić osnovao je Odbor Zagrebačke nadbiskupije za obnovu katedrale, ali i uži radni odbor odabranih stručnjaka. Uskoro je osnovan i Odbor za praćenje radova na obnovi katedrale, u koji su uključene znanstvene i umjetničke institucije, te gradske i državne vlasti. Nakon odabira projektanata i izvođača (konzervatorskih i restauratorskih radova) obnova je započela 1990. Od tada ona teče po fazama i prioritetima, a od 1999. Odbor izdaje časopis Naša katedrala, koji izlazi povremeno i prati složenje radove obnove.