Conquistada Jaén en 1246, el obispo de Córdoba D. Gutierre consagró la mezquita mayor, la dedicó a la Asunción de la Virgen, y la convirtió así en el primer templo de la diócesis. El edificio musulmán pervivió hasta 1368, cuando el obispo D. Nicolás de Biedma derribó la mezquita e inició la construcción de una catedral gótica, dotada de cinco naves y claustro. No debió ser una obra sólida, pues a finales del s. XV D. Luis Osorio tuvo que derribarla y empezó a construir otra, en el mismo estilo arquitectónico. Para ayudar a la construcción, el prelado otorgó una serie de indulgencias y gracias, y el sínodo de 1492 ordenó la colocación de un cepillo en cada parroquia con el fin de recolectar donativos destinados a sufragar los gastos del nuevo templo. En 1500 tomó posesión del obispado de Jaén uno de los prelados que ha pasado a su historia como mecenas de las artes e impulsor de distintas edificaciones: D. Alonso Suárez de la Fuente del Sauce, quien realizó importantes reformas en la fábrica de la catedral, aún en estilo gótico.
En 1525 un peritaje del cimborrio determinó que amenazaba ruina y empezó a considerarse la posibilidad de construir un nuevo edificio, más sólido que el ya existente. Intervino entonces un personaje que fue decisivo para el inicio de una nueva etapa constructora: el cardenal Esteban Gabriel Merino, arzobispo de Bari y obispo de Jaén, residente en la curia romana. El purpurado logró obtener del papa Clemente VII el breve Salvatoris Domini (20 diciembre 1529) por el que el pontífice concedió una notable cantidad de indulgencias a quien contribuyera económicamente a la edificación de una nueva catedral, a la vez que autorizaba la constitución de una cofradía bajo la advocación del Santo Rostro, compuesta por 20.000 hombres e idéntico número de mujeres. Con los fondos recolectados se iniciaron las obras hacia 1551 según los planos del que fue el gran artífice del nuevo templo, Andrés de Vandelvira. La modernidad de la obra nueva residía en la desaparición de la girola gótica, con lo que se creaba una planta de tipo salón. El mayor mérito de la catedral radica en que durante los siglos que duró su construcción, el plano originario de Vandelvira fue continuado por los demás arquitectos, empezando por su discípulo Alonso Barba, aunque la decoración posteriormente se barroquizara. Las obras se suspendieron por las crisis económicas que sacudieron el final del reinado de Felipe II, a las que se añadió la falta de recursos económicos.
En 1634, el cardenal D. Baltasar de Moscoso y Sandoval, decidido a sacar las obras del proceso de paralización que habían sufrido, obtuvo de Urbano VIII un breve fechado el 8 de enero 1635, por el que la Santa Sede, previa autorización de Felipe IV, autorizaba la aplicación de dos mil ducados anuales de la mesa episcopal, mil quinientos de la mesa capitular y las rentas de los beneficios vacantes de toda la diócesis. Esta gracia, prorrogada sucesivamente, supuso en recursos económicos más de la duplicación de las rentas de la fábrica, lo que permitió la prosecución de las obras con un ritmo constante hasta su conclusión. El arquitecto Juan de Aranda Salazar concluyó el crucero y la cúpula, y así en 1660 se pudo consagrar el templo con unas espléndidas fiestas. Siguiendo el proceso constructivo, en 1688 se culminó la fachada como un gran retablo de órdenes gigantescos, según diseño de Eufrasio López de Rojas, con relieves de Pedro Roldán y una balaustrada de Blas Antonio Delgado. En el interior, el coro fue construido durante el primer tercio del siglo XVIII aprovechando la sillería del XVI. Su bóveda fue proyectada por José Gallego y Oviedo del Portal, discípulo de Churriguera (1726), quien también diseñó la arquitectura pétrea del mismo coro. A finales del XVIII se decoraron las capillas y fue erigido el tabernáculo y ostensorio del altar mayor, con esculturas de Juan Adán. A partir de 1764 se habían iniciado las obras del Sagrario, con diseño de Ventura Rodríguez; esta última fase de las obras fue consagrada en 1801, con lo que así quedó concluida la construcción del primer templo de la diócesis.