La catedral de Santa María de Barbastro, construida entre 1517 y 1533, es un edificio con triple cabecera poligonal y tres naves a las que abren capillas laterales. La torre, exenta, se sitúa al N del edificio.

El espacio interior, equilibrado y de gran amplitud, viene definido por las tres naves de igual altura siguiendo la tipología llamada planta salón. Si la configuración del espacio responde al concepto renacentista del mismo, en la estructura arquitectónica mantiene los soportes propios del gótico, coexistiendo en la decoración elementos de ambos estilos.

Las tres naves, de cuatro tramos, están separadas por tres pares de columnas fasciculadas decorados sus capiteles con motivos renacentistas (guirnaldas, máscaras, cornucopias). La nave central, de mayor anchura, y las laterales, se cubren con bóveda de crucería estrellada, y aparecen decoradas con florones blasonados. Las ocho capillas laterales, realizadas durante los siglos XVII y XVIII, responden a diferentes estilos.

Iluminan el espacio interior, ocho vanos apuntados decorados con vidrieras en los laterales, y óculo a los pies.

Al exterior, el volumen de las naves en sillería de piedra arenisca y rematado por contrafuertes, viene flanqueado por los volúmenes de ladrillo de las capillas laterales. Su fachada septentrional queda enmascarada por construcciones.

Presenta dos portadas: la principal, a los pies, y una segunda, que se abrió a fines del siglo XVI, en el ábside N.

La primera, abierta hacia 1560, configura una fachada de tres pisos de corte renacentista, en la que la superficie se organiza con pilastras y frisos, y se decora con grutescos, hornacinas y medallones. Esta portada da paso a un zaguán y luego a la catedral.
La segunda se encuentra encajada entre los dos cuerpos salientes de las capillas de los pies; todo parece indicar que la estructura original constaría de tres puertas, correspondiendo a cada una de las naves, de las que las dos laterales se perdieron en el siglo XVIII al construirse las capillas de San Carlos Borromeo y la del Santo Cristo de los Milagros. Como la otra, sigue esquemas renacentistas. Desde ella se accede a un pórtico cubierto por bóveda estrellada, preámbulo de la nave central.

La torre, de planta octogonal y realizada también en sillería de piedra arenisca, presenta tres cuerpos separados a través de impostas y viene coronada por un cuerpo superior retranqueado, de ladrillo, rematado por un chapitel piramidal. Conserva parte de la fábrica del siglo XII-XV, aunque su aspecto actual se debe a la intervención de Pedro Ruesta en el siglo XVII.