El templo comenzó a construirse en 1262 sobre el solar de la antigua mezquita, de acuerdo con las trazas de Arnau Vidal. Los elementos arquitectónicos que la singularizan corresponden cada uno de ellos a épocas diferentes. Así, la Puerta del Palau o de la Almoyna constituye un elemento claramente diferenciado del resto, y aunque no se conoce con exactitud la fecha en que comenzaron las obras, parece que fue levantada entre 1260 y 1270. La portada es abocinada, con seis arquivoltas de medio punto que apoyan sobre finas columnas. Su estilo es románico, pero con influencias orientales y mudéjares.
La Puerta de los Apóstoles, recayente a la Plaça de la Mare de Déu, empezó a edificarse hacia 1300. Se sabe que, desde 1303, el maestro de obras de la catedral era Nicolás de Ancona, pero no se ha hallado ningún documento que confirme ni la fecha ni el autor de esta portada que, desde el punto de vista estilístico, tiene influencias francesas. Las esculturas de los apóstoles estaban policromadas.
A mediados del siglo XIV, se construyó, alejada del cuerpo principal, la Capilla del Santo Cáliz. La obra se ejecutó entre 1356 y 1369, bajo la dirección del maestro de obras Andrés Juliá.

En 1381 Andrés Juliá inició los trabajos para la erección de una torre exenta llamada "Campanar Nou" o "Torre del Micalet", por el nombre popular de la campana de las horas. De planta octogonal, con cuatro cuerpos separados por impostas, es tal vez el monumento más característico de la ciudad. A partir del siglo XV, el campanario quedó unido a la catedral gracias a la prolongación de las naves realizada por Pere Compte.

En 1703, el alemán afincado en Valencia, Conrado Rodulfo, proyectó la fachada principal, conocida como la "dels Ferros", por la verja que la rodea. Francisco Vergara el Mayor, Francisco Stolz e Ignacio Vergara, concluyeron la obra. Al ser su planta curva, el paramento cóncavo que origina creó un singular y estudiado efecto de perspectiva, desvirtuado en la actualidad a causa de las modificaciones del entorno urbano.