El edificio de la catedral tal y como hoy se contempla es obra del siglo XIII, época del arzobispo de Toledo Rodrigo Ximénez de Rada y del rey Fernando III el Santo, que por entonces era muy joven. La ceremonia oficial de la puesta de la primera piedra se retrasó con respecto al comienzo de las obras, en espera de que el rey pudiera hacer acto de presencia (1227). Ximénez de Rada había sido elegido arzobispo de Toledo en 1209 y desde el principio de su mandato defendió ante el Papa la primacía de la sede toledana. En su mente estaba la construcción de una gran catedral digna de esta ciudad que él gobernaba. Por entonces, la mezquita-catedral se mostraba bastante vieja y ruinosa; incluso algunas secciones habían sido demolidas por su antecesor.
La mezquita-catedral disponía de un amplio espacio, pero era de poca altura y le faltaba la esbeltez de otros templos de similar importancia. Ximénez de Rada fue el entusiasta promotor de la nueva catedral que se edificaría al gusto de la época, en estilo gótico. Tan entusiasta fue con el proyecto y tanto se involucró en él, que se llegó a decir que fue el autor-arquitecto de las trazas de la nueva catedral; afirmación totalmente fuera de lugar según los historiadores y arquitectos. El arzobispo pasó unos años manteniendo y reforzando el antiguo templo a la espera de que su sueño fuera realizado.
Se atribuye el proyecto al maestro Martin y despues a su sucesor Petrus Petri.

Las grandes puertas del templo son las siguientes:
La fachada principal tiene tres portadas, denominadas, respectivamente, Puerta de Reyes (en el centro), Puerta del Juicio Final o del perdón (a la derecha), y Puerta del Infierno (a la izquierda). La puerta del Perdón es del siglo XV: se comenzó, bajo la dirección de Alvar Martínez, en 1418. Se llama así porque hubo un tiempo en que se concedían indulgencias a los penitentes que entraban por ella. La Puerta de Reyes en la actualidad está siempre cerrada y se abre en las grandes ocasiones y cuando el nuevo arzobispo toma posesión de la catedral primada. Tiene un gran arco con seis arquivoltas góticas. Sigue la iconografía clásica del gótico, con la figura del Salvador en el mainel y un apostolado en las jambas, y en el tímpano aparece la Virgen imponiendo la casulla a San Ildefonso, tema muy especial de esta catedral que se repetirá en el interior en capillas y pinturas. Las hojas de la puerta miden más de 5 m de altura y están chapadas en bronce y muy trabajadas; son del siglo XIV. La del Juicio Final es la más antigua, y representa, como su nombre indica, la escena del Juicio Final.
La puerta del Infierno, en cambio, no presenta motivos iconográficos reseñables, sino solo decoración de tipo vegetal. Se la conoce también como puerta de la Torre o de las Palmas porque antiguamente se reservaba para la entrada de la procesión de las palmas en el Domingo de Ramos.
La fachada fue modificada en 1787 por el arquitecto Eugenio Durango bajo el mandato del cardenal Lorenzana. El escultor fue Mariano Salvatierra. Las obras fueron necesarias por deterioro de la piedra que no era de muy buena calidad. Es posible que las puertas avanzaran entre contrafuertes en lugar de la disposición actual pero no se sabe con certeza.

Puerta del Reloj
Es la más antigua de comienzos del siglo XIV y se encuentra en la fachada del lado norte. Recibe además los siguientes nombres:
• de la Feria porque daba salida a la calle donde antaño se celebraba la feria.
• de la Chapinería por ser frontera a la calle que lleva ese nombre, lugar donde se fabricaban y vendían los chapines.
• de las Ollas, porque en su decoración pueden verse algunos de estos utensilios

Puerta de los Leones
Del siglo XV y XVI. Es la más moderna de las grandes puertas. Se llama así por los leones que coronan las columnas de la reja que cierra el pequeño compás. Tiene además otros dos nombres:
• Puerta Nueva, al ser la última que se construyó.
• Puerta de la Alegría, en alusión a la celebración de la Asunción de la Virgen que está representada en el testero del fondo, tras las arquivoltas
• Puerta Llana
De estilo neoclásico, del año 1800, obra de Ignacio Haam. Es la única puerta de entrada a la catedral que está a ras de suelo, sin escalones, de ahí su nombre. Por esta puerta acostumbran a salir las procesiones. En la actualidad es el acceso de visitantes.

Portada de Santa Catalina
Es una de las dos puertas que se abren al claustro. De estilo gótico tardío. Sus arquivoltas están labradas con motivos vegetales de hojarasca y follaje. El pilar que hace de mainel está muy trabajado en sus caras laterales, con castillos y leones. En su interior presenta dos secciones. La más alta está ornamentada con una serie de estatuas con doseletes. En el tímpano sobre el arco gótico hay una pintura de Luis de Velasco representando la Anunciación.

Puerta de la Presentación
De tiempos del cardenal Tavera; de rica talla y miniaturas de imaginería en estilo plateresco elaboradas en buena piedra muy blanca. Es la otra puerta que conduce al claustro. El medallón es obra de Pedro Martínez Castañeda (1568) y representa la Presentación de Nuestra Señora.

Torre de la Catedral de Toledo
En origen, el proyecto fue levantar dos torres, una a cada lado de la fachada occidental, pero sólo llegó a elevarse una, la de la esquina noroeste, mientras que de la opuesta sólo se levantaron los cimientos, siendo éste el lugar donde más tarde se construiría la capilla mozárabe. La torre fue diseñada y construida por Alvar Martínez, cuyo trabajo llegó hasta la culminación del 4º cuerpo en 1422; no dejó trazas ni dibujos para continuar la coronación. Es gótica, con alguna influencia mudéjar. Tras una elevada base de planta cuadrada (en cuyo interior se aloja la capilla del Tesoro) se superponen cuatro cuerpos y por encima un quinto cuerpo de menor altura. En el segundo cuerpo tenía su vivienda el campanero y el tercero sirvió de prisión eclesiástica. Entre el primer cuerpo y el segundo se desarrolla horizontalmente un friso de mármol negro donde se ven realzados en mármol blanco los escudos del arzobispo Juan Martínez de Contreras, cuyo mandato fue desde 1422 hasta 1438. El remate de la torre con el cuerpo octogonal fue obra del arquitecto Hanequin de Bruselas que llegó para trabajar en esta catedral junto con un grupo de grandes figuras: Egas Cueman, Enrique Egas y Juan Guas entre otros. El cuerpo octogonal está acompañado de pináculos y arbotantes y se remata con una flecha que soporta tres coronas imitando una tiara .