L’antiga església de Santa Maria erigida darrera la conquesta catalana de 1235., assenyala la seua ubicació al mateix lloc on avui es troba la Catedral. L’edifici actual és el resultant de les diverses obres que es feren a l’església a través dels segles, que afectaren tant a les seues dimensions com a la seua aparença estètica i/o ornamental.
La primera ampliació important es produeix a mitjans del segle XIV, moment què s’efectuà una transformació important de l’edifici antic, l’estructura del qual és difícilment identificable a simple vista. Se sap que era de planta rectangular i d’una grandària semblant a l’espai de la nau central. A aquesta edificació s’afegeix l'absis gòtic de planta poligonal amb cinc capelles entorn a l’altar Major. Aquesta obra es va realitzar avançant-se a la muralla islàmica, de la qual es conserven importants restes dins la cripta situada baix el presbiteri de l’església. De la mateixa època és la torre del campanar; aquesta és de planta trapezoïdal i no es troba adossada al temple, com és habitual, sinó que s’alça sobre la primera capella de l’absis. Els cossos superiors a la capella estan definits mitjançant cornises decorades. El tercer i últim pis té una doble filada de finestrals ogivals amb una cornisa entre ambdues filades. El remat de la torre és una estructura piramidal d’arestes dentades, semblants a les d’altres esglésies gòtiques de Mallorca.
El temple medieval es torna a ampliar amb la creació de les capelles laterals de nau. La primera la manà construir Ponç Sacoma, cap el 1388, i la resta es crearen a la primera meitat del segle XVI, al mateix temps que es traslladà la sagristia gòtica a un cos afegit a l’exterior de la capella de Sant Miquel.
A les darreries del segle XVII, l’església es trobava molt deteriorada tal i com indiquen els documents de l’època. Així doncs, el Bisbe Josep Mora, en la seua visita del 1691, observà els desperfectes de la coberta, que estava plena de goteres, i del paviment, deteriorat pels continus enterraments que es feien dins el temple. Aquesta situació va portar els jurats de la Universitat a proposar una reforma integral de l’edifici. Els primers tràmits administratius es van iniciar el 1702 però fins deu anys després no es contractaren els mestres encarregats de l’obra: Pere Ferro i Jaume Espinosa. Aviat s’iniciaren els treballs i es prolongaren fins al 1728, fent front als nombrosos problemes de finançament que sorgiren en el transcurs de l’obra.
La reforma va arreglar els desperfectes estructurals, al mateix temps que es feien canvis en l’aspecte artístic del temple, uniformant l’estil decoratiu al gust barroc de l’època que, llevat d’algunes lleus modificacions, es conserva pràcticament íntegre. Als costats de la nau es troben pilastres amb basament i capitells compost de fulles i volutes, enllaçats per l’arquitrau, fris i cornisa a sobre la qual es recolza la volta de canó de sis trams que cobreix la nau central. Per damunt la clau dels arcs de les capelles laterals es col•loquen llunetes amb motius religiosos pintats. Els arcs ogivals de les capelles gòtiques de l’absis es van substituir per altres de mig punt, semblants als de la nau, llevat del de la capella central que es va respectar amb la seua obertura original.
A l’exterior es modificà la porta principal del temple, a la qual se li afegiren diversos elements arquitectònics de tipus neoclàssic
El 1782 es creà el Bisbat d’Eivissa i l’església de Santa Maria adquirí des de llavors el rang de Catedral. El 5 de febrer de 1784 feia l’entrada oficial el primer bisbe Manuel Abad i Lasierra, que exercí el seu càrrec fins al 1787.
Després del segle XVIII la catedral a penes es modificà. L’obra més important fou al 1803, i consistí en l’ampliació i elevació del Presbiteri. L’altar Major, situat tradicionalment en la capella central de l’absis, passarà a col•locar-se enmig del nou presbiteri, traslladant el cor darrere l’altar, dins la capella central.
