Conocida como la Dama de las Catedrales, la Catedral de Segovia fue construida entre 1525 y 1577 para sustituir a la Catedral Vieja, situada en los actuales jardines del Alcázar y destruida durante la Guerra de las Comunidades en 1520. Es, por tanto, junto a la Catedral Nueva de Salamanca, la muestra del gótico más tardía de la arquitectura española; presenta también algunos elementos renacentistas.

La grandiosidad y armonía de dimensiones   define el interior.  Destacan las vidrieras (s. XVI), el Retablo Mayor dedicado a Ntra. Sra. de la Paz (s. XIV), donada a la ciudad por Enrique IV, la sillería del coro (fines del s. XV) procedente de la Catedral Vieja, los bellos órganos barrocos, la rejería o el trascoro neoclásico que guarda la urna con las reliquias de San Frutos.

Posee una estructura en tres altas naves y girola, destacando sus hermosas ventanas de complicada y fina tracería calada, así como la extraordinaria calidad de los numerosos vitrales. El interior muestra una notable unidad de estilo (gótico tardío), excepto en la cúpula de 1630 y presenta un aspecto imponente y sobrio. Sus bóvedas góticas se elevan a 33 metros de altitud y mide de ancho 50 metros y 105 de longitud. El crucero está cubierto con una cúpula finalizada por Pedro de Brizuela en el siglo XVII. La poderosa torre alcanza casi los 90 metros. El actual chapitel de piedra que corona la torre, data de 1614, erigido luego de un gran incendio originado por una tormenta eléctrica. El chapitel original enteramente gótico construido de madera de caoba americana, de estructura piramidal alcanzaba la mayor altura     de España.

Entre las capillas destacan la del Santísimo Sacramento, con un magnífico retablo de José de Churriguera, así como las de San Andrés, con el tríptico flamenco del Descendimiento de Ambrosio Benson; y la del Descendimiento con extraordinario Cristo Yacente, de Gregorio Fernández. El retablo del altar mayor, obra de Francisco Sabatini, está dedicado a la Virgen de la Paz. Le adornan esculturas de los santos segovianos San Frutos, San Geroteo, San Valentín y Santa Engracia. El coro conserva la sillería gótica de la antigua catedral y está flanqueado por dos grandes órganos barrocos, del siglo XVIII. El Museo Catedralicio tiene notables obras artísticas de Pedro Berruguete, Sánchez Coello y Van Orley, entre otros, y el Archivo Catedralicio custodia, entre otros muchos, el Sinodal de Aguilafuente, primer libro impreso en España.

En la capilla mayor, el actual altar fue mandado construir por Carlos III (1759-1788), con diseño de Francisco Sabatini (1722-1795). Se inició en 1768 y fue terminado en el 1775 en los talleres del Palacio Real de Madrid.

El retablo que ocupa el altar mayor es un conjunto mármoles de diversos colores y de bronces que recrean una estructura neoclásica. Sobre un zócalo revestido de mármol negro veteado de blanco, se encuentra un pedestal, sobre el que se alza un retablo formado por dos cuerpos de diferentes alturas. El inferior de mayor tamaño con dos grandes columnas a cada lado de la hornacina central. En los intercolumnios dos grandes imágenes en blanco de San Frutos y San Geroteo obras de Adeba Pacheco. En la hornacina central se encuentra una imagen sedente de la Virgen de la Paz (siglo XIII) y que fue donada por el rey Enrique IV a la Catedral, aunque se cree que su propietario bien pudo ser el rey Fernando III el Santo. Actualmente esta imagen se encuentra recubierta de plata, trabajo realizado por Antonio Vendetti en 1775, así como el sitial sobre el que se asienta la imagen. En la parte superior del retablo, sobre la cornisa dos imágenes sentadas en color blanco, de San Valentín y Santa Engracia con las palmas del martirio, y en el centro del frontón el anagrama de la Virgen. En la cúspide una cruz entre ángulos.

Las rejas que cierran el Altar Mayor son obra barroca de Antonio de Elorza (1736) y fueron doradas por Miguel y José Borbúa de Segovia. Se encuentra decorada con azucenas, blasones y medallones en las cresterías.

El coro está situado frente al Altar Mayor, se cierra por una reja obra de Antonio Elorza de 1729. La sillería fue traída desde la antigua catedral, y colocada en 1558 por Juan Gil y Jerónimo de Amberes, y terminada en el año 1790 por Fermín Huici. Es de estilo gótico flamígero, de finales del siglo XV y fue mandada hacer por el obispo don Juan Arias Dávila.

La arquería que forma el respaldo de las sillas son arcos conopiales que a su vez encierran arcos rebajados que apoyan en larguísimas columnas. En la parte superior, la sillería se adorna con tracerías caladas. Hay asientos reservados a los reyes, más cercanos a la reja, para poder seguir los oficios divinos. Ambos asientos se encuentran rematados por dos chambranas góticas. Sobre la silla episcopal, el escudo de Juan Arias Dávila.

Un claustro de Juan Guas procedente de la antigua catedral románica y trasladado piedra a piedra a su actual emplazamiento, precede a las salas del Museo Catedralicio. El Archivo Catedralicio conserva más de 500 incunables, entre ellos el Sinodal de Aguilafuente, primer libro impreso en España, por Félix Párix de Heidelberg.