Comenzó su construcción el obispo fray Francisco Toral, en 1562; él puso la primera piedra y le dio por titular a San Ildefonso. Mientras se levantaba este recinto se utilizó como templo una sencilla estructura con techo de palma, en el lugar donde luego estuvo la capilla de San José. Avanzadas las obras fue necesario derribar la primera iglesia y entonces se utilizó como sede del obispo el pequeño templo de San Juan de Dios.

La catedral se terminó el 1o de enero de 1597, aunque formalmente se dio por concluida en 1598, faltándole todavía el remate de la puerta principal y el de la única torre que entonces tenía. En el principio de la obra figuraron como maestros Pedro de Aulestia y Francisco Alarcón, y a partir de 1585 Juan Miguel de Agüero, quien se encargó de terminarla.

La planta de la iglesia es rectangular, de testero plano, de tres naves formadas por 12 columnas altas y gruesas de cantería de orden toscano de las que arrancan los arcos que sostienen las bóvedas de lacería y artesones. La cúpula corresponde al quinto tramo de la nave central, es la primera construida en la Nueva España. La torre del lado sur se concluyó en los tiempos del obispo fray Pedro de los Reyes Ríos de la Madrid, hacia 1710. La catedral fue consagrada el 12 de diciembre de 1763 por el obispo fray Antonio Alcalde.

La fachada, de gran austeridad y sencillez, se compone de un cuerpo central de gran elevación, que simula un arco triunfal sobre la puerta principal, que es de orden corintio y lleva a los lados las esculturas de San Pedro y San Pablo en piedra. Los dos cuerpos laterales, con sus correspondientes puertas, son de menor tamaño y a ellos están adosadas las dos torres de planta cuadrada.

El coro fue diseñado en la misma forma que el de las otras catedrales americanas; colocado en medio de la iglesia, tenía planta semicircular con dos cuerpos: en el bajo estaban los sillones del obispo y de los canónigos, y en el segundo, entre columnas estriadas y doradas, aparecían imágenes de santos y doctores de la iglesia, en relieve de media talla; remataba el conjunto una crujía de hierro en donde habían dos órganos. Hacia 1800 este coro central fue suprimido por el arquitecto Zapari, por considerarse que obstruía la vista y restaba amplitud al recinto. Sin embargo, en 1830, fue reconstruido según su forma primitiva, con la desaprobación general, y así subsistió hasta que a principios del siglo XX el obispo Tritschler y Córdova lo suprimió de nuevo y construyó otro de cantería sobre la puerta principal, sostenido por seis medias columnas y cuatro completas, obra del arquitecto Emilio Dondé en 1905.

El primitivo retablo fue retirado por el obispo fray José A. Padilla y Estrada, por considerar que “no correspondía a la grandiosidad de su objeto”, y reemplazado por otro de madera dorada, de estilo churrigueresco, con 16 nichos y sus correspondientes imágenes, terminado en 1762, para cuya construcción el prelado llamó a Yucatán, “de fuera, diestros maestros talladores”.

Aparte del retablo central existieron otros en los muros laterales, entre las medias columnas. Todos ellos fueron reducidos a escombros o cenizas durante el asalto del 24 de septiembre de 1915.

Tuvo la catedral hasta ese año cuatro capillas laterales construidas fuera de sus muros, pero comunicadas con ella. En la actualidad solamente existen la de la parroquia del Sagrario y la del Santísimo Sacramento, en la que se venera la repuesta imagen del Cristo de las Ampollas. Las otras dos y la sacristía mayor, que se encontraban entre la Catedral y el Palacio Episcopal fueron demolidas en 1915 por orden del gobernador Salvador Alvarado.

El testero de la nave central ostenta un enorme crucifijo considerado como el de mayor tamaño en América, de 7.65 metros de altura, labrado en madera de abedul en 1965 y colocado sobre una cruz de caoba de 12 metros. La imagen fue hecha a instancias del arzobispo Fernando Ruiz Solorzano, quién la bautizó con el nombre de Cristo de la Unidad. En el templo, en las oficinas del arzobispado y en la sala capitular se conservan unas cuantas esculturas y pinturas de mérito, entre éstas los retratos al óleo de los prelados que han gobernado la iglesia de Yucatán.

Después de mucho tiempo, se sustituyeron las antiguas campanas por otras nuevas que se bendijeron el 25 de julio de 1980. Las que se retiraron fueron montadas sobre soportes especiales junto a la puerta del costado norte de la catedral. El 7 de mayo de 1981 se sustituyó el altar de madera por uno nuevo, monolítico de piedra calcárea, que mide 2.60 metros de largo, 0.85 metros de ancho y 0.60 metros de alto y pesa 3.10 toneladas. Esta pieza monumental descansa sobre dos bases también de piedra calcárea de 0.40 metros de alto, 0.54 metros de ancho y 0.55 metros de largo.

Su cruz atrial se encuentra en el ángulo nor-poniente de la catedral y es el eje de la nomenclatura de las calles de norte a sur y de oriente a poniente; se encuentra sobre una columna abalaustrada descansando sobre una esfera de piedra que representa el axis mundi, ("el eje del mundo").

El inmueble está incluido en el Decreto de Zona de Monumentos Históricos en la Ciudad de Mérida, Yucatán, Diario Oficial de la Federación (López 1982: 21).

En 1935 la Catedral de San Idelfonso fue declarada Monumento Histórico por el Departamento de Monumentos (Vázquez, 1935: f 1).

El 8 de Julio de 1959, la entonces Dirección de Bienes Nacionales emitió un documento en el que se declaran “Monumento Histórico” todas las construcciones religiosas edificadas entre los siglos XVI y XIX (Torres 1959: 6).