Elle occupe l’emplacement d’une mosquée et d’une cathédrale primitive consacrée par le premier évêque de Barbastro en 1101, après la conquête de la ville par Pierre I. On peut admirer des vestiges archéologiques du cloître arrière (XIIIème siècle) sur la façade nord.
La cathédrale actuelle a été construite entre les années 1517 et 1533, et sa typologie correspond au modèle de plan basilical. L’église a trois nefs de même hauteur, couvertes de voutes en croisées d’ogive étoilées, soutenues par de sveltes colonnes fasciculées. Elle conserve les éléments caractéristiques du gothique et une conception de l’espace typique de la renaissance qui lui confèrent une grande singularité. Plusieurs architectes prirent part à sa construction comme Juan de Segura ou Juan de Sariñena. Les chapelles latérales furent terminées entre les XVIIème et XVIIIème siècles.
La cathédrale héberge de magnifiques exemplaires d’art mobilier comme plusieurs retables et les stalles du chœur du XVIème siècle.
Une des plus belles œuvres est le retable majeur dédié à l’Assomption de la Vierge, réalisé en albâtre et bois polychromé, entre la deuxième moitié du XVIème siècle et les premières années du XVIIème siècle. Une partie du soubassement est l’œuvre de Damián Forment.
Situés de chaque côté du maître-autel, on trouve les retables dédiés à Saint Raymond (XVIIème siècle) et à Saint Pierre l’Apôtre (XVIIIème siècle). Ce dernier fut réalisé par le sculpteur de Barbastro Antonio Malo. Dans la chapelle de San José on trouve un retable, originaire du monastère de San Victorián dans le Sobrarbe, dont la table-autel gothique est attribuée à Bartolomé Bermejo.
Les façades des chapelles latérales présentent des éléments décoratifs baroques, comme la chapelle du Saint Christ qui conserve à l’intérieur une sculpture du Christ sous baldaquin ou celle de Saint Carlos Borromeo.
A côté de la porte orientale on trouve la tour clocher (des documents en situent la construction au XIIème siècle) et elle fut restaurée au XVIIème siècle. Elle semble avoir été érigée sur les restes de l’ancien minaret.
