La cathédrale est un édifice de style néo-gothique dessiné par l'architecte Manuel de Echave, qui s'inspire pour ce faire de l'architecture religieuse allemande, notamment de la célèbre cathédrale de Cologne.
Basée sur un plan en forme de croix latine, la nef est bordée de bas-côtés (triple vaisseau), ceux-ci étant doublés au niveau de l'abside (quintuple vaisseau). Néanmoins, au contraire de nombre de cathédrales de la région, l'abside est dépourvue de déambulatoire.
La longueur totale de la nef est de 64 mètres, pour une hauteur sous voûte de 25 mètres. L'ensemble du sanctuaire est couvert de croisées d'ogives.
De larges baies géminées surmontées d'oculi polylobés servent d'écrin aux vitraux réalisés par Juan Bautista Lázaro. Ceux-ci sont ornés de figures géométriques dans la nef, tandis que le chœur accueille des représentations des douze apôtres.
Parmi les œuvres remarquables de la cathédrale figurent également deux retables en bois, lesquels ornent les croisillons. Ainsi le croisillon sud accueille t'il une « Immaculée conception de Marie » (Inmaculada Concepción de María), tandis qu'à l'opposé, le croisillon nord abrite le « Sacré-Cœur de Jésus » (Sagrado Corazón de Jesús). Ce dernier est composé de trois statues polychromes surmontant le monogramme du Christ - IHS pour « Iesus, Hominum Salvator » (« Jésus, sauveur des hommes ») - et l'inscription latine « Venite ad me » (« Venez à moi »).
Le croisillon nord accueille également une sculpture représentant les quatre évangélistes, œuvre du célèbre sculpteur moderniste catalan José Llimona.
À l'extérieur, la cathédrale est dominée par un clocher abondamment sculpté, cantonné de pinacles et surmonté d'une flèche octogonale ajourée formant une véritable « dentelle de pierre ».
Haute de 75 mètres, elle domine les quartiers alentours. Dessinée par Manuel de Echave, elle est finalement complétée en 1899 par l'architecte Ramón Cortázar.
De part et d'autre de l'édifice, arcs-boutants, pinacles et gargouilles employés à profusion sont caractéristique de l'architecture néo-gothique.