El templo románico, tiene planta de tres naves, en origen tres ábsides, que debían ser parecidos a los de la colegiata de Toro y que se sustituyeron en el siglo XV por los actuales góticos y un crucero poco marcados en planta. Los transeptos se cubren con bóvedas de cañón apuntado, las naves laterales con bóvedas de arista capilazadas, y la nave central con bóveda de crucería tardorrománica o protogótica.
Sobre el crucero, apoyado internamente, se alza el cimborrio, que es un tambor perforado por 16 ventanas sobre el que se elevan las dos cúpulas, una interna semicircular, gallonada, y otra externa ligeramente apuntada. sus formas. Tiene planta de cruz latina, tres naves de cuatro tramos y tres ábsides que fueron sustituidos por una cabecera gótica en el siglo XVI. El exterior se ameniza con cuatro cupulines que sirven para reforzar las esquinas y cuatro frontones hacia los puntos cardinales que apuntalan la bóveda. Es, con su decoración exterior de escamas, el elemento más destacado del templo y un auténtico símbolo de la ciudad. De «obra genial sin paralelo en la arquitectura medieval» la calificó el historiador José Ángel Rivera de las Heras, quien añade que se convirtió en «cabeza de serie de obras semejantes en la Catedral Vieja de Salamanca, la Colegiata de Toro o la sala capitular de la seo de Plasencia»,2 singular grupo que fue denominado por el historiador Manuel Gómez-Moreno como cimborrios bizantino-leoneses.
Hay que destacar también el coro, que fue construido entre 1512 y 1516 por Juan de Bruselas. La sillería del coro destaca por la abundancia de temas de carácter profano: escenas basadas en fábulas, proverbios, refranes, mitología y también de la vida cotidiana.
La torre del Salvador, de 45 m de altura, se construyó a lo largo del siglo XIII aunque el estilo es románico. En tiempos debió de estar almenada. Sirvió hasta el terremoto de Lisboa de 1755 como cárcel del Cabildo.
Desde el claustro se accede al Museo Catedralicio, que alberga una importante colección de tapices.
El interior del templo posee numerosos símbolos e inscripciones en sus muros que aún hoy siguen descubriéndose, como la que recientemente se ha recuperado de antiguas y desafortunadas intervenciones que hace mención a posesiones de la iglesia en "Orlelos" y "Carvillino" (actuales Roelos y Carbellino).