On ne sait quasiment rien des édifices antérieurs à la cathédrale romane. Après la réforme du chapitre réalisée en 1090 par l'évêque Géraud, la construction de la nouvelle cathédrale et des bâtiments canoniaux est entreprise au début du 12e siècle. L'autel majeur et l'autel de la Sainte-Coiffe sont consacrés par le pape Calixte II en 1119, correspondant probablement à l'achèvement du chevet. L'essentiel des parties basses de la nef, avec les portails sud et nord, paraît construit dans les années 1140, mais les coupoles ne sont probablement achevées que dans la première moitié du 13e siècle. Le parti initial est celui d'une église présentant un chœur à déambulatoire, déambulatoire qui est détruit lors de la construction de la coupole occidentale, probablement dans le 2e quart ou le milieu du 13e siècle. Les travaux se poursuivent, sans doute après une interruption, avec la reconstruction partielle du chevet dès les années 1270, qui amorce la transformation gothique de l'édifice. La voûte du chœur, les chapelles latérales et la plus grande partie du massif occidental, qui reçoit la nouvelle entrée principale de la cathédrale, sont construits sous l'épiscopat de Raymond de Cornil entre 1280 et 1293 ; on a fait l'hypothèse que Pierre Deschamps soit intervenu sur le chantier. Le décor peint intérieur pourrait dater de la fin du 13e siècle. Quelques travaux sont sans doute encore réalisés au début du 14e siècle.
Le renouveau qui suit la guerre de Cent ans se traduit par la construction décidée par l'évêque Antoine d'Alamand, sur l'emplacement de l'absidiole sud, d'une chapelle dédiée à la Vierge Immaculée, appelée "chapelle profonde", consacrée en 1484, puis pour le grand archidiacre Louis de Theiss d'une nouvelle chapelle érigée entre les absidioles est et nord en 1491. Un bâtiment, dont une cheminée porte les armes du chapitre, est ajouté à l'est de la chapelle Saint-Martin peut-être à la fin du 15e siècle. La salle capitulaire romane est remplacée par une chapelle dédiée au Saint-Esprit (actuelle chapelle Saint-Gausbert) aménagée entre 1497 et 1502 pour le chanoine Antoine d'Auriolle. Les galeries du cloître sont entièrement reconstruites à partir de la fin du 15e siècle et pendant toute la première moitié du 16e siècle et portent les armoiries du chanoine Antoine d'Auriolle et des évêques Antoine de Luzech (1502-1509), Aloïs de Caretto (1514-1524) et Paul de Caretto (1524-1553).
Excepté quelques aménagements intérieurs, les trois siècles qui suivent ne voient pas de travaux importants. Une nouvelle campagne de rénovation, et de restauration, débute dans les années 1850 avec la réfection des absidioles sous la houlette de Paul Abadie alors architecte diocésain de Cahors. Entre 1870 et 1875, le chœur liturgique est refait par Mgr Grimardias en style néo-gothique alors que l'on entreprend le dégagement des coupoles. Le portail nord, muré en 1732 et redécouvert en 1840, est restauré entre 1908 et 1913.
