La catedral se construyó durante los siglos XIII a XV sobre la antigua catedral románica, construida a su vez sobre una iglesia de la época visigoda a la que precedió una basílica paleocristiana, cuyos restos pueden verse en el subsuelo, en el Museo de Historia de la Ciudad de Barcelona. La finalización de la imponente fachada en el mismo estilo, sin embargo, es mucho más moderna (siglo XIX). El edificio es Bien de Interés Cultural y, desde 1929, Monumento Histórico-Artístico Nacional. Actualmente es la sede del Arzobispado de Barcelona.

Está dedicada a la Santa Cruz desde el año 599 y se añadió a partir del año 877 a Santa Eulàlia patrona de la ciudad de Barcelona, aunque actualmente es más celebrada como tal la Verge de la Mercè que, estrictamente, es patrona de la diócesis de Barcelona, pero no de la ciudad. Santa Eulàlia fue una joven doncella que, de acuerdo con la tradición católica, sufrió el martirio durante la época romana, y finalmente, fue crucificada en una cruz en forma de aspa, que es el emblema de la catedral y la diócesis, así como el atributo iconográfico de la santa. La catedral cuenta con un claustro gótico en el que viven trece ocas blancas (se cuenta que Eulalia tenía trece años cuando fue ejecutada y que pastoreaba ocas).

El edificio consta del templo y el claustro perfectamente unidos por un mismo estilo. La catedral mide 90 metros de longitud por 40 de ancho y el jardín del claustro es de 25 metros por lado por seis de anchura de cada galería de las cuatro que lo rodean.

La catedral está formada por tres naves de la misma altura, la central el doble de ancho que las laterales. En las naves laterales hay otras 17 capillas, cubiertas por ojivas de seis tramos, con arcos apuntados en cada entrada; hay dos capillas colocadas entre cada contrafuerte con proyección interior. A estas capillas se ha de unir la capilla de Santa Lucía con entrada desde el exterior.

La fachada neogótica de 40 metros de ancho, consta de la portada flanqueada por dos torres con altos pináculos, está ornamentada con todo tipo de elementos de estilo gótico de líneas verticales y con gran profusión de imágenes de ángeles y santos.

El cimborrio, diseñado por el arquitecto Augusto Font Carreras tiene una altura de 70 metros y se llevó a cabo entre los años 1906 y 1913. En las terminaciones de las cresterías hay imágenes de ángeles alados.

Cinco son las puertas de la Catedral de Barcelona:

• La Principal, situada en el centro de la fachada de la plaza de la Catedral. Proyectada por el arquitecto Josep Oriol i Mestres es de estilo neogótico con un gran arco gótico con arquivoltas, presidida en su mainel por una escultura de Cristo, y a ambos lados de la puerta las imágenes de los apóstoles.
• Portal de San Ivo: es ésta la más antigua y que durante quinientos años fue el acceso principal de la catedral, por el crucero del lado del Evangelio. Su advocación se debe al edificio que tiene delante, que durante muchos años fue sede de los abogados, el patrón de los cuales es San Ivo. Realizada en mármol y piedra de la montaña de Montjuic, es uno de los primeros intentos del arco ojival del gótico catalán (1298).
• Puerta de La Piedad. Es una de las entradas exteriores al claustro, con un arco conopial flanqueado por unos altos pináculos labrados con gran finura. En el tímpano hay un relieve —copia del original, en madera, guardado en el museo catedralicio— con la representación de la Piedad rodeada con símbolos de la Pasión. ​ Esta puerta facilita la entrada al templo ya que está en esquina con la entrada al crucero del lado de la Epístola.
• Puerta de Santa Eulalia. Se encuentra situada en la calle del Bisbe y la entrada es por el claustro, de forma similar a la puerta de la Piedad.
• Puerta de Santa Lucía. Es la entrada a la capilla exterior de dicha santa, siendo la tercera puerta de acceso al claustro. La puerta es románica con cinco arquivoltas semicirculares.

En el interior de la catedral, destaca su órgano, construido en el año 1538. Se encuentra bajo el campanario de la puerta de San Ivo. Del tipo de este órgano, sólo hay cuatro en Europa, en Daroca, en Palma de Mallorca y en Perpiñán. Desde entonces el órgano recibe aportaciones de al menos 16 organistas que supone una serie de modificaciones para adaptarlo a los gustos estéticos de cada época, recibiendo todo tipo de innovaciones estéticas y mecánicas, siendo las últimas intervenciones las realizadas por Gabriel Blancafort desde el año 1984 hasta 1994. La caja del órgano es la original, de estilo renacentista, plana, de la escuela catalana. De dos cuerpos, el mayor de 16 pies, siendo sus tubos los originales excepto los dispuestos en trompetería horizontal además de una pequeña caja de cuatro pies situada en el centro de la tribuna del órgano en la espalda del organista.