La Catedral de Mallorca, construida en estilo gótico levantino con influencias del norte de Europa, mide 121 metros de largo y 55 de ancho. Aunque se desconoce el nombre de sus arquitectos, numerosos artistas, escultores y pintores participaron en su construcción. El gótico levantino, a diferencia del clásico francés, emplea una planta de salón alemana, estrictamente basilical, con tres naves sin girola ni crucero. La catedral cuenta con tres capillas paralelas en la cabecera y numerosas capillas laterales situadas entre los contrafuertes.

El alzado de la catedral no sigue el modelo francés de "sección ad-triangulum", sino el típico levantino de "sección ad-quadratum", con una marcada diferencia de altura entre la nave central y las laterales. Esto permite una altura interior impresionante de 44 metros y la apertura de un amplio claristorio con un destacado rosetón. Las ventanas, aunque estrechas, contrarrestan el fuerte sol mediterráneo. La estructura requiere numerosos contrafuertes con doble arcada de arbotantes, una característica más común en el norte de Europa que en las iglesias levantinas.

El rosetón mayor, conocido como el "ojo del gótico", tiene un diámetro de aproximadamente 13,8 metros y una superficie de casi 150 metros cuadrados, siendo uno de los más grandes del mundo gótico. Su ubicación es peculiar, ya que está situado sobre el altar central en la cabecera en lugar de a los pies de la catedral, y presenta una estrella de seis puntas (estrella de David) inscrita en él.

Otros elementos arquitectónicos destacados incluyen los dos portales laterales, los pilares y las reformas del siglo XX. Los púlpitos, obra de Juan de Sales entre 1529 y 1531, se situaban originalmente en la nave central junto con el coro, cuyo portal también es de Sales.

La puerta principal, el Portal del Mirador, se encuentra en la fachada sur que mira al mar. Representa la Última Cena, un tema elegido intencionadamente debido a la gran cantidad de judíos conversos en Palma, para hacer visible un tema cristiano sin relación con el Antiguo Testamento. En el portal opuesto se encuentra un ángel con las alas desplegadas, obra de Guillem Sagrera, enmarcado por una hermosa tracería adornada con cardinas (flores de cardo) de gran tamaño.

Los pilares octogonales que sostienen la cubierta son una maravilla arquitectónica e ingenieril, alcanzando la máxima altura permitida por el material y creando un amplio espacio abierto para los fieles. Junto con el rosetón de la cabecera, forman uno de los "espacios-camino" góticos mejor logrados del mundo.

A principios del siglo XX, Antoni Gaudí dirigió una serie de reformas para recuperar parte del espacio original. Estos cambios incluyeron la eliminación del coro central, dividiéndolo y trasladándolo a los laterales; la elaboración de un baldaquino para el altar mayor; la creación de un nuevo púlpito y la introducción de elementos modernistas como el cierre del altar mayor y los candelabros en los pilares. Las obras fueron dirigidas por Juan Rubió, con la colaboración de Josep Maria Jujol, el escultor Vicenç Vilarrubias y los pintores Joaquín Torres García, Iu Pascual y Jaume Llongueras.

La Casa de la "Almoina", anexa a la catedral junto al campanario, alberga actualmente el Archivo Capitular de Mallorca, que contiene el archivo de la catedral.