Nach der Befreiung von der Maurenherrschaft begann König Jaume I. mit dem Bau auf dem Platz einer islamischen Moschee, die Grundsteinlegung erfolgte 1230. Unter Jaume II., dem Sohn des Eroberers, wurde ab 1306 von der Hauptapsis her der eigentliche Bau der Kathedrale begonnen. Sie sollte auch als Mausoleum für das mallorquinische Königshaus dienen; Jaume II. und III. sind hier begraben. Der Bau des Kirchenschiffs wurde 1587 abgeschlossen, das Hauptportal wurde 1601 geweiht. Die Arbeiten an der Hauptfassade begannen 1852 und wurden erst Anfang des 20. Jahrhunderts beendet.

Die Kathedrale ist 109,50 Meter lang und 33 Meter breit, das Hauptschiff misst 75,50 Meter in der Länge und 19,50 Meter in der Breite. Die beiden Seitenschiffe sind je 86 Meter lang und 10 Meter breit. Die 14 Pfeiler, auf denen das Gewölbe ruht, sind 30 Meter hoch, das Hauptschiff erreicht 44 Meter Höhe und die beiden Seitenschiffe je 30 Meter. Das Presbyterium mit dem Chor, auch Königskapelle genannt, hat eine Größe von 34 mal 16 Metern. Trotz fehlender "richtiger" Türme gehört die Kathedrale zu den wichtigsten Bauwerken gotischer Stilrichtung.

Das 1370 gebaute und 1599 verglaste Rundfenster hat einen Durchmesser von (wahrscheinlich) 12,55 Metern und wird aufgrund der Fensterfläche von 97,5 m² häufig als „größte gotische Rosette der Welt“ bezeichnet. Neben ihrer Größe fällt sie auch durch ihre Lage (Apsis) und die Form der Streben (Davidstern) aus dem Rahmen. Vom Durchmesser her wird sie allerdings von der Portalrosette des Straßburger Münsters (mit über 15 m) und wohl auch von den 1250 bzw. 1260 erbauten Rosetten an der Nord- und Südfront der Notre-Dame in Paris (jeweils 12,90 m) übertroffen. In der Kathedrale von Palma befinden sich fünf weitere Rosetten (mit Maßwerk im franko-flämischen Stil) sowie 60 künstlerisch gestaltete Glasfenster.

Seit dem Mittelalter haben viele Baustile ihre Spuren in der Kathedrale hinterlassen. Zu Baubeginn folgte man gotischem Baustil in Reinform, wie er aus Katalonien und Südfrankreich bekannt ist. Eine verzierungsreichere Weiterentwicklung dieses Stils findet sich im Seitenportal, das dem Meer zugewandt ist. Das Almosen-Portal auf der Gegenseite folgte bereits dem ästhetischen Empfinden der Spätgotik. Die Renaissance mit ihrem für den hispanischen Raum typischen plateresken Stil und der Manierismus hielten im 16. Jahrhundert ihren Einzug. In vielen Altaraufsätzen der Seitenkapellen findet man auch Barockelemente, beispielsweise in den Kapellen Corpus Christi, Unbefleckte Empfängnis, Hl. Sebastian, Hl. Benedikt oder auch der des Hl. Martin. Der Klassizismus ist die prägende Stilrichtung der Taufkapelle und des Mausoleums des Grafen von Romana.

Auch der berühmte Architekt Antoni Gaudí steuerte durch seine Restaurierungs- und Dekorationsarbeiten in den Jahren 1904 bis 1914 auf Initiative des Bischofs Campins seine Kunst im Stil des katalanischen Modernisme (Jugendstilrichtung) bei. Gaudí nahm auch einschneidende bauliche Veränderungen vor: der Chorraum wurde aus der Mitte des Kirchenschiffs verlegt und in die Königskapelle eingegliedert; der Stuhl des Bischofs wurde erneuert und die Gläubigen erhielten freien Blick auf den Hochaltar.

Als Beitrag des 21. Jahrhunderts hat der 1957 geborene mallorquinische Künstler Miquel Barceló die Kapelle des Allerheiligsten im rechten Seitenschiff neugestaltet, unter anderem hängt hier sein Werk über die Wundersame Vermehrung von Brot und Fisch.

Die große Orgel ist das Werk des Mallorquiners Gabriel Tomás aus dem ausgehenden 18. Jahrhundert. Sie wurde zuletzt 1993 restauriert.

In zwei Kapitelsälen und im Erdgeschoss des Glockenturms ist seit 1932 das Museum der Kathedrale untergebracht.