Desde la fundación de Zamora, en el siglo XVI, hasta el siglo XIX, la parroquia funcionó en tres construcciones religiosas: las dos primeras se levantaron durante esa primera centuria, seguramente muy provisional una y más sólida la segunda, pues se mantuvo en servicio hasta el siglo XVII, cuando fue reemplazada por la tercera construcción. Sin embargo, ésta ya estaba en ruinas hacia 1828, cuando se echó a andar el proyecto de construir la actual iglesia, en el mismo emplazamiento de las anteriores, frente a la plaza principal.
Ante la ruina de la parroquia, José María Cabadas Dávalos y Jasso, organizó un movimiento para iniciar una nueva construcción. El 1 de abril de 1840 bendijo la primera piedra de la obra. Hacia 1860 la iglesia estaba terminada, aunque sin torres, balaustradas ni barda exterior. Así la sorprendió la erección del nuevo obispado, el 26 de enero de 1862, y así fue consagrada, el 8 de mayo de 1867, para evitar que fuera ocupada por las tropas, aunque distaba mucho de estar terminada.
Cuando la parroquia se convirtió en Catedral, se realizaron algunas reformas necesarias para su funcionamiento, como el emplazamiento del coro en el presbiterio, para permitir la reunión de los canónigos alrededor del obispo. Otras fueron provocadas por fallas en la estructura. Las torres las construyó Romualdo Mares y las terminó en 1879. El mismo constructor completó la actual imagen de la catedral ese año, cuando realizó el diseño de los cinco pórticos del atrio y los ornamentos de los pilares y almenas y se autorizó el encargo de las puertas a Guadalajara.
El vocabulario formal seleccionado para esta obra se relaciona claramente con el estilo neoclásico, como el frontón triangular de la portada; las columnas de capitel compuesto con fuste estriado; el friso que remata el primer cuerpo así como las guirnaldas que ornamentan la fachada. Sin embargo, la articulación de estos elementos provoca una sensación de movimiento y de claroscuro más vinculado al estilo barroco que al neoclásico. El resultado de esta asimilación vernácula de ambos estilos fue interpretada por Francisco de la Maza, como un "estilo barroco republicano".
