La catedral es un edificio rectangular, con un amplio desarrollo en horizontal. Sus cuatro fachadas están compartimentadas en vertical por contrafuertes y rematadas por almenas, lo que le da un aspecto de fortaleza militar. En éstas se conservan las puertas primitivas de la mezquita musulmana, algunas de ellas transformadas por las intervenciones efectuadas en el siglo XVI, así como las que se han ido abriendo en la edad moderna.
En la fachada norte, junto a la torre, se localiza la Puerta del Perdón, que aunque en origen corresponde a la época de Abd ar-Rahmán II, fue profundamente transformada con motivo de los esponsales del infante don Alfonso con doña Isabel de Portugal, como reza la inscripción del arco de acceso.
"Días dos del mes de Marzo de la era del Cesar de mil et cuatrocientos et quince años reinante el muy alto et poderoso don Enrique Rey de Castilla"
Dos contrafuertes, decorados con arcos lobulados, delimitan la puerta de acceso, formada por un arco de herradura con alfiz, recubierto de atauriques, con los escudos de Castilla y León, en las enjutas. Sobre ella, se abre una galería de tres arcos polilobulados que descasan en columnas. Remata la fachada, una cornisa, en cuyo centro, existe un relieve de Dios Padre.
En el interior de los arcos de la galería se encuentran las pinturas murales de San Rafael, la Asunción de la Virgen y San Gabriel, realizadas en 1660 y atribuidas tradicionalmente a Antonio del Castillo . Según las noticias que se conservan de esta época, las imágenes de los arcángeles sustituyeron a otras pinturas anteriores en las que se efigiaban a San Lorenzo y San Esteban. Completa el conjunto, en las enjutas de los arcos, un nutrido grupo de cabezas de ángeles que revolotean entre las nubes. A fines del siglo XVIII o principios del XIX, el conjunto fue restaurado por Antonio Álvarez Torrado.
En la fachada correspondiente a la ampliación de Almanzor se encuentra la Puerta conocida como de Santa Catalina, realizada por Hernán Ruiz II, hacia 1565. Se compone de dos cuerpos, formado el inferior por un arco de medio punto enmarcado entre dos columnas corintias, con alto basamento, que sostienen un entablamento completo. Sobre éste, el segundo cuerpo presenta tres calles delimitadas por columnas y pilastras. La central es ocupada por un arco semicircular, mientras que las exteriores son adinteladas. En sus interiores aún se conservan restos de pinturas murales, asimismo atribuidas a Antonio del Castillo, aunque por su mal estado son imposible de identificar. Sobre éste se dispone un entablamento con frontón curvo, cuyo tímpano está ocupado por el relieve del Padre Eterno.
La fachada sur, aunque presenta una disposición unitaria, está profundamente remodelada, ya que fueron abiertos balcones en sus extremos, durante las reformas del XVI y XVII. En la centuria siguiente, los balcones del ángulo occidental fueron ornamentados con cinco escudos heráldicos, entre los que se identifican los del Cabildo Catedral, al aparecer representada la torre del templo.
En las últimas restauraciones, se ha abierto un nuevo acceso al interior del templo, junto a la Puerta de los Deanes. Gracias a ello puede contemplarse, en el pilar izquierdo, entre las columnas, la pintura mural de un Crucificado, el "Cristo de las Penas", en cuya base aparecen diferentes figuras de medio cuerpo en actitud de oración.