Catedral de Mérida López de Cogolludo relata que Francisco de Montejo el Mozo ordenó que «para que la dicha ciudad de Mérida no decaiga y de continuo permanezca: mando al reverendo padre cura, Francisco Hernández, que en lo mejor de la traza, que en dicha ciudad se hiciere, tome solar y sitio para hacer la iglesia mayor, adonde los fieles cristianos oigan doctrina y les administren los sacramentos y le doy por apellido nuestra Señora de la Encarnación». El 23 de enero de 1542, el cacique de Maní, Tutul Xiú, llegó a Mérida para someterse a Montejo. Por ser este día el de San Ildefonso, se proclamó a este santo protector de la colonia y patrón de la iglesia. Nachí Cocom, señor de Sotuta, atacó a los españoles de la recién fundada ciudad de Mérida el 11 de junio de ese mismo año, pero fue derrotado por ellos. Para conmemorar esta victoria, que ocurrió el día de San Bernabé, se le proclamó patrono de la ciudad y de la iglesia, como se había hecho seis meses antes con San Ildefonso.
La iglesia primitiva fue un edificio sencillo, techado de guano, que ocupaba el lugar donde después estuvo la capilla de San José y el ala derecha del desaparecido Palacio Episcopal. Ante la creciente importancia que adquiría la ciudad, se procedió, en 1562, a iniciar la construcción de una iglesia de piedra. Por carta del gobernador Diego Quijada sabemos que «Luego que vino el obispo (Francisco Toral) se dio orden en el hacer de la Iglesia Catedral por Cédula que ante mí presentó el Cabildo della. Di orden para que se comenzase y como la costa se ha de repartir por tres tercias partes, la una cave a V.M. y la otra a los vecinos y la otra a los naturales, repartí veinte y cuatro mil pesos de minas en que me parece se podrá tasar la obra, y por lo que los vecinos están muy pobres y necesitados, y la caja de V.M. está muy empeñada con ayudas de costa que dio el licenciado Loaisa, oidor de los Confines, acordé de sacar de los indios su tercia parte, por que sin discordia pudiese comenzar esta obra, y por que los indios son muchos he repartido este precio entre todos, que no les cave a cada uno más de dos reales de plata, por que de cincuenta mil tributarios poco más que hay, no les viene a caver a más, y si hubiera de comenzar por los vecinos, no me pudiera valer con ellos ni se comenzara la obra…» Sin embargo, sólo se empezaron a juntar los materiales que se utilizarían en la construcción, arrancándolos de los edificios mayas que conformaban la antigua ciudad y se hizo el trazo sin quitar la primitiva iglesia que servía de catedral. Poco después, las obras emprendidas por el obispo Toral fueron suspendidas y no se reiniciaron hasta el gobierno de Diego de Santillán, cuando llegó una Cédula Real urgiendo la conclusión de la obra. El maestro de obra era entonces Pedro de Aulestía.
Ante la imposibilidad de recurrir a la contribución que correspondía a los encomenderos, los gastos corrieron por cuenta del Tesoro Real y se contrataron dos alarifes para apurar las obras. Al morir el obispo Landa en 1579, ya se habían levantado los muros y se comenzaban a cerrar las naves. Gregorio de Montalvo, sucesor de Landa, trajo de La Habana al arquitecto Juan Miguel de Agüero, encomendándosele la dirección de las obras en 1586. A dicho arquitecto, por sus buenos servicios, le concedió el gobernador de Yucatán la asignación anual de 200 pesos de oro de minas (449 pesos), 200 fanegas de maíz y 400 gallinas. Avanzadas las obras y siendo necesario derribar la primitiva iglesia que ocupaba una parte del terreno, se habilitó de catedral la pequeña iglesia de San Juan de Dios. Desde el 1 de enero de 1597 se decía terminada la obra de cantería, sin embargo, no se dio por concluida sino hasta 1598 y aún entonces faltaba por concluir el remate de la puerta principal. El gobernador Diego Fernández de Velasco (1597-1600) mandó concluir dichos remates, compró un órgano en 1 500 pesos y viendo que el presupuesto de lo demás (coros, retablos,…) llegaba a 30 000 pesos, suspendió su construcción hasta consultar al rey. El día exacto de la conclusión de las obras no se sabe, pero en la cornisa interior de la cúpula existe grabada una inscripción que dice: «Reinando en las Españas e Indias Orientales y Occidentales, la Majestad del Rey Felipe Segundo y siendo Gobernador y Capitán General en su Lugar-Teniente de estas Provincias D. Diego Fernández de Velazco, se acabó esta obra. Fué Maestro Mayor de ella Juan Miguel de Agüero. Año de 1598.»
El 20 de septiembre de 1687, el obispo Cano de Sandoval celebró consagración de campanas y el 11 de marzo de 1736, fray Francisco de San Buenaventura Martínez de Tejada, obispo auxiliar de La Habana y Florida, de paso por Yucatán, consagró la campana mayor. Según ciertas fuentes, fue el obispo Reyes Lamadrid quien mandó, de su peculio, levantar la torre que faltaba al edificio. Sin embargo, ya en 1588, fray Alonso Ponce dice haber visto la Catedral con sus dos torres terminadas. La Catedral fue consagrada en 1763 por el obispo Antonio Alcalde. Ocupaba una superficie de 5,696 metros cuadrados, incluyendo sus anexos. Se compone de tres naves: las laterales iguales entre sí y menos anchas que la central, separada ésta por doce columnas con capiteles dóricos. El templo está cubierto por 20 bóvedas y una cúpula que corresponde al quinto tramo de la nave central. A un extremo de la nave central se encuentra el presbiterio sobre una plataforma con balaustrada y al otro extremo el coro de piedra labrada. Éste fue proyectado por el arquitecto Emilio Dondé y construido por Manuel Arrigunaga en 1903. En 1902 se construyó un órgano que fue destruido en 1915. La sacristía ocupa el fondo de la iglesia, que fue antes la sala de los canónigos y junto a ella, la gran sala capitular. Estas dos piezas se comunican por una hermosa portada de cantería de estilo renacentista italiano. Al fondo, existe otra pequeña pieza que, como las anteriores, está techada con bóveda de cañón. El baptisterio ocupa una pequeña capilla en el costado norte del edificio. Hasta 1915, existían cuatro capillas más, construidas extramuros, pero comunicadas con la iglesia, eran las del Sagrario, del Cristo de las Ampollas y la del Rosario, en el costado norte y la de San José en el Sur. La última fue destruida al abrirse en 1915, el Pasaje de la Revolución. La del Sagrario, que antes fue de Santa Ana, está limitada en un extremo por el ábside con el altar mayor y en el otro, por el coro en forma de balcón. En 1904 le fue agregada una pequeña pieza que le sirve de sacristía.
Por el año de 1676, siendo obispo fray Luis de Cifuentes, se empezó la construcción de la capilla hasta hoy conocida como del Cristo de las Ampollas, con los fondos donados por Lucas Rodríguez de Villamil y Vargas y terminada por el siguiente obispo Juan de Escalante y Turcios de Mendoza. La imagen original del siglo XVII, destruida en 1915, fue sustituida por otra, tallada en Querétaro, bajo los auspicios de Rafael R. Quintero, quien también hizo restaurar la capilla desmantelada por los manifestantes. Fue pintada al fresco por Zapari. También dispone de una pequeña pieza que sirve de sacristía. La capilla de San José, desaparecida en 1915, fue construida a principios del siglo XVII por fray Gonzalo de Salazar. Servía de oratorio del Palacio Episcopal. Comunicaba con la Catedral por medio de dos hermosas rejas. El obispo la dotó, así como a la del Rosario, de buenas esculturas, cuadros al óleo, ornamentos, lámparas de plata y preciosas alhajas. Al abrirse el Pasaje de la Revolución, se destruyó también una sacristía en cuya planta alta se ubicaba otro oratorio del Palacio Episcopal. Se confunde esta otra capilla con la del Rosario, que en realidad ocupa el actual Archivo de la Arquidiócesis. Sobre la argamasa, en el centro del dintel de la puerta de acceso del Archivo, se descubrió durante los trabajos de restauración efectuados en 1987, la siguiente inscripción: «Capilla de nuestra Madre Santísima Señora del Rosario». Frente al altar de la Virgen de Guadalupe existía una cripta abovedada de unos cuatro metros de largo, dos y medio de ancho y dos de alto, donde se sepultaban los restos áridos de los obispos. Esta cripta fue sellada recientemente. También existía otra en el piso de la capilla del Cristo de las Ampollas, aproximadamente de las mismas dimensiones que la anterior. Al destaparse, se reconocieron los restos de los obispos Leandro Rodríguez de la Gala, Crescencio Carrillo y Ancona, Martín Trischler y Córdoba y Fernando Ruiz Solórzano.
En la fachada se encontraban tres puertas que corresponden a cada una de las naves. Un gran arco rematado por una pequeña cornisa con balaustrada forma el marco de la puerta central, encuadrada por pilastras gemelas de orden corintio, cuya cornisa se quiebra formando un pequeño frontón. Sobre éste y las pilastras se ven unos bien labrados remates adosados al muro y, entre dichas pilastras, unos nichos que contienen las esculturas de San Pedro y San Pablo. Arriba de la puerta mayor hay una ventana que da al coro y más arriba, un escudo que antes contenía las armas reales españolas, las que fueron sustituidas en 1822 por el águila mexicana. La portada lateral situada del lado norte, es de menor importancia y está formada por dos pilastras con bases y capiteles dóricos, entablamento que forma un pequeño frontón circular y unos remates en forma de macetones adosados al muro. La cúpula descansa sobre un falso tambor de poca altura, en que se abren 16 ventanas y brotan ocho remates iguales a los de las torres, de cuatro de los cuales parten delgados arbotantes que van a terminar en la linternilla. Ésta tiene cuatro ventanas, igual número de columnas dóricas, pequeña cornisa y cinco remates. En el frente y el costado norte existía un atrio que fue destruido en 1915. Medía 956 metros cuadrados y estaba cerrado con un pequeño pretil de mampostería con sencilla reja de hierro, obsequiada por la emperatriz Carlota y que más tarde adornó la finca Iturralde. El primitivo coro ocupaba el centro de la Catedral y detrás de él estaba un altar con la imagen de Santa María de la Natividad. Su sillería se estrenó el 24 de diciembre de 1662. Existió hasta principios del siglo XIX, pero por razones desconocidas, fue destruido por el arquitecto Zapari, quien en su lugar construyó otro en el presbiterio sobre la entrada de lo que fue la sacristía. Este segundo coro, además de ser pequeño, era de tal manera incómodo, que al cabo de algunos años fue derribado para ser construido otro en la nave central. Ocupaba el tercer tramo a partir de la entrada principal y se componía de coro alto y bajo, estando en el bajo la sillería con 28 sitiales y en el alto, dos órganos, uno mayor que el otro, de muy buenas voces. Lo cerraba una balaustrada de hierro, igual a la que tenía el presbiterio.
Como este tercer coro adolecía del mismo defecto que el primero, pues por su situación restaba amplitud a la iglesia, obstruyendo la vista a lo largo de la nave central, fue también derribado, construyéndose el que hasta ahora existe. Cuando el gobierno destinó el antiguo Palacio Episcopal a oficinas públicas, la Catedral quedó sin sacristía. Ésta ocupaba una amplia pieza situada al costado sur del altar mayor y tenía en la planta alta el oratorio del mencionado palacio. El piso, que antes era de losas, fue sustituido en 1892, por otro de losetas de mármol italiano. Los grandes retablos, que con tanto entusiasmo describen Cogolludo y más tarde Justo Sierra, fueron destruidos en 1915 junto con otras numerosas obras de arte.
Constituyen los anexos de la Catedral, la capilla del Divino Maestro, también llamada del Señor de la Cena, situada en la esquina de las calles 61 y 58, a un lado sobre la calle 61, unas piezas viejas que sirven como oficinas y sobre la calle 58, unos cuartos, restos del viejo Seminario de San Ildefonso. Varios fueron los relojes que adornaron el edificio. El más antiguo de todos fue uno de sol, colocado sobre las bóvedas del templo donde todavía permanece. En la torre sur estuvo un reloj construido por el guatemalteco Marcos de Ávalos, que marcaba, además de las horas, las evoluciones del sol y de la luna. El obispo Reyes Ríos de Lamadrid lo sustituyó por otro mandado a construir en Londres en 1731 y cuya carátula permanece todavía en la torre. Un último reloj fue obsequiado a la Catedral en 1900 por un gremio. Se conserva en el presbiterio.
Además de los órganos mencionados anteriormente, existía otro construido en 1903 y destruido en 1915. El que existe actualmente es obra de Alfredo Wolburg y fue inaugurado en 1938. Multitud de obras de arte, pinturas y esculturas fueron patrimonio de la Catedral y, por descuido y vandalismo, fueron irremediablemente destruidos. Se conserva, sin embargo, la importante colección o galería de los obispos pintados en distintas épocas, y que adorna la Sala Capitular, donde también puede admirarse una Virgen de Guadalupe, pintada por Miguel Cabrera en 1748. Otros cuadros, algunos antiguos, adornan las oficinas. La necesidad de remozar la Catedral después de los saqueos sufridos entre 1915 y 1916, hizo que se mandaran hacer algunas obras de carácter meritorio, tal como el llamado Cristo de la Unidad, obra del escultor madrileño Ramón Lapayese del Río. La gigantesca figura que mide 7.65 metros de alto fue tallada en madera de abedul. El mismo escultor realizó las figuras del Viacrucis. Algunas esculturas notables se conservan en el edificio, como la figura estofada de San José con el Niño. Otras, como la de Santa Cecilia, patrona de los músicos, la Santísima Trinidad, Santa Eulalia, San Bernabé, San Ildefonso, Nuestra Señora de Yucatán, San Judas Tadeo, el Divino Redentor, San Pedro, otra figura del mismo santo, de metal, el Nazareno y el Cirineo, el Divino Maestro y otras, adornan tanto la Catedral como las oficinas. Dos monumentos fueron dedicados a la memoria del obispo Carrillo y Ancona y del arzobispo Trischler y Córdoba. En el Sagrario está la pila bautismal y en la esquina de las calles 60 y 61, una réplica de la cruz del atrio. Uno de los mayores tesoros conservados en la Catedral, aunque desconocido para el público en general, es el extraordinario acervo documental que forma el Archivo, cuyos documentos contienen una visión casi continua de la historia religiosa civil y social de la Península, desde el siglo XVI hasta nuestra época. Este Archivo es posiblemente el más importante de todos aquellos que todavía se conservan, ya que además de todos los documentos relativos a la misma Catedral y al obispado, se le agregaron muchos de aquellos que se conservaban en las iglesias de los pueblos de Yucatán.