La catedral nueva se construyó entre 1513 y 1733 conservando la vieja. En un principio pensaron derruir ésta, aunque se impuso el criterio de mantenerla abierta al culto mientras se realizaba la construcción de la nueva. Al terminar las obras en el siglo XVIII, reconsideraron la idea de destruirla y por esa razón se conserva actualmente. No obstante, el muro sur de la Catedral Nueva se apoya sobre el muro norte de la vieja, que hubo de ser reforzado hacia el interior del antiguo templo, cuya nave lateral quedó parcialmente reducida con la nueva construcción. La torre de la nueva catedral se construyó sobre la torre de las campanas de la Catedral Vieja.

La idea de construir una catedral nueva surge en el siglo XV debido al aumento demográfico de la ciudad, especialmente por la fuerte atracción de la Universidad. Por tanto, la Catedral Vieja parecía en aquellos momentos «pequeña, oscura y baja». Contaban con el apoyo de Fernando el Católico, quien en 1509 ordenó a los arquitectos que habían trabajado en Toledo y Sevilla, Antón Egas y Alonso Rodríguez, que fueran a Salamanca para tomar traza del nuevo templo.

La catedral, tras diversas discusiones, se proyectó paralela a la vieja, realizada con piedra franca de Villamayor y en estilo gótico. Tiene planta rectangular, con tres naves y dos más de capillas hornacinas. En principio la cabecera había de terminar en girola y ábsides poligonales, pero finalmente se cambiaría el proyecto al actual, que remata el templo con una cabecera rectangular que hace una planta de salón. La primera piedra se puso en 1512, siendo obispo de Salamanca Francisco de Bobadilla.*

Durante casi todo el siglo XVII las obras estuvieron paradas y se retomaron de nuevo en el XVIII, hasta su finalización en 1733. La catedral sufrió los devastadores efectos del terremoto de Lisboa, que se produjo el 1 de noviembre de 1755, quedando todavía signos visibles en las grietas y vidrieras rotas. Después del terremoto hubo que rehacer la cúpula (por Juan de Sagarvinaga) y reforzar el campanario, que era más esbelto, muy semejante al de la catedral de Segovia. El campanario sufrió graves desperfectos durante el terremoto, llegando a inclinarse e incluso amenazar ruina. Tras consultar a varios arquitectos que recomendaron su demolición fue, finalmente, Baltasar Dreveton quien propuso zuncharla con 8 cadenas tensadas y forrarla con piedra en forma de talud llegando hasta el cuerpo de campanas (unos 40 metros desde el suelo2​). De la dirección de esta obra se encarga Jerónimo García de Quiñones con Manuel de los Ríos. Así puede contemplarse actualmente, forrada de piedras e inclinada hacia uno de sus lados por efecto del terremoto de Lisboa. Actualmente esta catástrofe se recuerda con la tradición del «Mariquelo» el 31 de octubre.


Fachada actual de la catedral vieja, en la parte posterior de la torre de la catedral nueva. Esta torre se construyó sobre el antiguo campanario de la catedral vieja. En ella es visible todavía una grieta originada por el terremoto de Lisboa de 1755
Hacia 1812 el ejército de ocupación francés derribó la manzana de casas situada al norte de la catedral, creando la actual plaza de Anaya y poniendo de relieve la fachada norte, no preparada para la exhibición y poco agraciada. Este hecho ha provocado que las fotos más conocidas de la catedral sean tomadas desde este lado, haciendo olvidar la fachada principal, mucho más interesante pero situada en una calle estrecha y sin suficiente amplitud para obtener buenas fotografías.

En 1887 el templo fue declarado Monumento Nacional y en 1999 Entorno de Protección.