Aunque la estructura general de este templo -levantado junto al Ebro, en la parte oriental de la Plaza de las Catedrales, cerca de El Pilar- es del gótico tardío, la fábrica primitiva es, cuando menos, románica y en él se da una abigarrada yuxtaposición de estilos que van desde el Románico hasta el Neoclasico (siglo XII a finales del XVIII). Siguiendo un itinerario esencialmente cronológico, la visita debe iniciarse por el exterior de los ábsides de la que fuera mezquita mayor de la ciudad árabe y en su tramo inferior denotan su inequívoco origen románico en cuanto a su reforma cristiana se refiere. El interior de los ábsides -se conservan dos de los tres originales- conserva, en su decoración y estructura, aunque camuflada por posteriores añadidos, su prístino carácter románico original, de finales del siglo XII, con un interesantísimo grupo escultórico en las arquerías.
Siguiendo en el exterior del templo, junto a los ábsides se hallan los magníficos paneles de ladrillo de la llamada parroquieta de San Miguel, obra fundamental del mudéjar aragonés y construída en el último tercio del siglo XIV. Esbeltos arcos mixtilíneos y un complejo encaje geométrico semejan un rico tapiz árabe en el que se engarzan bellísimos mosaicos y piezas cerámicas. La obra mudéjar se continúa a través de la tracería calada de los ventanales que se abren por encima de los ábsides, rematado todo el conjunto por el exterior del audaz cimborrio de principios del siglo XVI.
Completan los elementos exteriores más interesantes del templo la torre barroca, construída en las últimas décadas del siglo XVII, y la portada neoclásica, iniciada en 1786 sobre la mudéjar original.
En el interior, la visita a lo más interesante comienza por la mencionada parroquia de San Miguel, construída por deseo del arzobispo don Lopez Fernández de Luna cuyo sepulcro, de rica y bellísima ornamentación, es considerado pieza esencial dentro de la escultura funeraria del siglo XIV europeo. La otra pieza singular de la parroquia es la esbelta techumbre, una rica muestra de la carpinteria mudéjar en lo que actualmente es Aragón.
En lo que es propiamente el recinto central del templo -que debió ser en su día de tres naves góticas- destacan las cinco naves (recientemente restauradas) en cuya cabeza se levanta el magnífico retablo mayor, obra, en lo esencial, del escultor Pere Johan y de Hans de Suabia. Hermosísimo y casi inverosímil es, asimismo, el cimborrio, construído en el primer tercio del siglo XVI en sustitución del primitivo mudéjar - como mudéjar fue también la primitiva torre-. La influencia árabe en este cimborrio se evidencia en la forma octogonal de la cúpula y por el octógono estrellado formado en el cruce de los arcos que la sostienen.
Las otras partes del templo de interesante visita son el coro -con una notable silleria mudéjar e importantes esculturas en su ornamentación-, las capillas laterales de San Bernardo y de San Miguel y, por último, el tesoro catedralicio, repartido entre la sacristía y el museo de tapices. Las sacristía custodia, entre otras, tres piezas singulares: el olifante de Gastón de Bearn, tallado en marfil con la técnica árabe del siglo XI; los bustos-relicarios de San Valero (patrón de Zaragoza), San Vicente y San Lorenzo, procedente de los talleres de Aviñón y donados al templo por el papa aragonés Benedicto XIII; y, finalmente, la custodia mayor, labrada en plata por Pedro Lamaison en la primera mitad del siglo XVI.