Sa construction commença en 1273 et ne fut terminée qu'en 1888 par le rattachement du clocher d'origine romane à la nef. La construction commença par le chœur caractéristique du gothique rayonnant du XIII^e siècle qui fut rattaché à la nef romane. Les travaux s'interrompirent une première fois en 1327 faute d'argent. En 1378, la chapelle Saint-Martial et une partie du transept nord furent élevés, le clocher roman fut renforcé par une imposante maçonnerie ; quelques années plus tard, c'est au tour du transept sud. Après la guerre de Cent Ans, les deux premières travées de la nef sont édifiées entre 1458 et 1499. Entre 1516 et 1541, Jean de Langeac fit construire le transept et le portail Saint-Jean, chef d'œuvre limousin du gothique flamboyant. Mais de nouveau, la construction s'arrêta avec la mort de l'évêque et les trois travées de la nef reliant l'église au clocher de la cathédrale romane ne furent élevées qu'à la fin du XIX^e siècle.

La cathédrale renferme deux œuvres Renaissance d'une grande qualité : un jubé réalisé sur commande de l'évêque Jean de Langeac, et le tombeau de cet évêque sur lequel sont sculptés des scènes de l'Apocalypse inspirées de Dürer.

Les murs de la crypte romane, fermée au public, possèdent de belles fresques représentant le Christ en gloire.

Quelques peintures médiévales sont encore visibles dans certaines chapelles rayonnantes (représentant notamment des anges musiciens) mais la quasi-totalité présente des fresques du XIX^e siècle.