El rey Alfonso VI y el papa Gregorio VII nombraron sede episcopal a Burgos en 1075, continuando el legado episcopal de la diócesis medieval de Oca, cuyo prelado firmó el III Concilio de Toledo en 589.

El monarca promovió la construcción de una catedral dedicada a la Virgen María, cuya traza se desconoce pero se presume románica y similar a obras contemporáneas (la iglesia de Silos, el monasterio de San Pedro de Arlanza, la iglesia de San Martín de Frómista y la catedral de Jaca). Los documentos muestran que el monarca donó los terrenos de la residencia real de su padre Fernando I y una pequeña capilla dedicada a Santa María, que estaba en construcción, para el enorme esfuerzo.

La catedral se construyó en 1096, pero era demasiado pequeña para una ciudad que era la capital simbólica del reino, una poderosa sede episcopal (el cabildo catedralicio contaba con más de treinta miembros antes de 1200) y un creciente centro comercial. A principios del siglo XIII se decidió construir una nueva catedral. Como era típico en la época, se destruyó el edificio románico (del que sólo se conservan algunos elementos escultóricos) y se construyó en su lugar la nueva catedral gótica, aumentada con la demolición de algunas casas circundantes proporcionadas por el obispo Marino.