Concebida en el siglo XVI y diseñada por el arquitecto Juan de Herrera, es un edificio de estilo herreriano con añadidos barrocos. Conocida también con el nombre de Catedral de Nuestra Señora de la Asunción, y sede episcopal de la archidiócesis de Valladolid. Obtuvo la categoría de catedral el año 1595, tras haber sido un templo colegial dependiente de la diócesis de Palencia.  Estas construcciones de Herrera son clasicistas, a lo romano antiguo, aunque con rasgos manieristas, y se basan en los principios del arquitecto romano Vitruvio y son de una severidad y monumentalidad que nos hace revivir aquellos tiempos de la España de los Austrias (especialmente del reinado de Felipe II donde se vivió como nunca el espíritu de “la cruz y la espada”). La actual construcción es el último proyecto arquitectónico sucedido durante siglos y que tuvo como primer origen un antiguo templo románico de tiempos de su fundación de Valladolid por el conde Ansúrez en el siglo XI. Luego existió otra gótica también desaparecida. Habrá que esperar hasta el año 1589 cuando Juan de Herrera se encarga del nuevo templo, de un purismo clasicista que abandona toda ostentación decorativa, pero no monumental. Decimos esto porque Juan de Herrera diseñó un proyecto colosal y complejo, que quedó inacabado, como consecuencia de la marcha lenta de las obras. Durante los siglos XVII al XIX, se continuaron los trabajos, pero no se respetó completamente el plan de Herrera. Así, Churriguera creó un cuerpo superior de la fachada en claro estilo barroco. La Catedral de Nuestra Señora de la Asunción de Valladolid es un amplio edificio de tres naves y tres ábsides. El interior se articula mediante gigantescos arcos de medio punto que apoyan sobre fortísimos pilares cuadrados con pilastras adosadas que llevan capiteles compuestos a lo romano.
La fachada actual ha sufrido importantes modificaciones con respecto al original de Juan de Herrera. En la parte izquierda se habíalevantado una torre original de Herrera, pero fue modificada posteriormente y se cayó a mediados del XIX provocando importantes destrozos en la cornisa, como todavía se aprecia. Se decidió no levantarla. Pero se pensó que en el lado derecho se podría levantar una torre ochavada para albergar el reloj y las campanas. Así se hizo a finales del XIX;  y a comienzos del XX se colocó encima la estatua del Sagrado Corazón de Jesús. En la parte central de la fachada, sobre el cuerpo original dórico, Churriguera levantó el cuerpo superior en el XVIII, francamente barroco.
Proyecto ideal de Juan de Herrera para la catedral vallisoletana según Fernando Chueca Goitia.
Cuerpo superior de la fachada añadido de Churriguera en el XVIII sobre el original dórico.

Esta puerta, llamada de Santa María fue construida hacia 1960.

Aspecto actual del templo.