La catedral se levantó sobre una antigua mezquita-aljama, que ocupó lo que hoy es el patio del claustro y que antes había sido templo romano.
Alfonso VIII consagró al culto cristiano bajo la advocación de San Isidoro.
En 1227 Fernando III le añade el título de Natividad de Nuestra Señora.
En 1529 se iniciaron las obras de una nueva iglesia de tres naves de pilares góticos y bóvedas de crucería.
En 1567 esta nueva fábrica se desplomó, tan sólo se salvaron los primeros tramos de la cabecera, que conservan sus nervadas bóvedas.
Andrés de Vandelvira se encargó de hacer las nuevas trazas para la restauración. Cubrió el edificio con bóvedas vaídas, detalló la decoración geométrica de la piedra, e intervino en las obras de las capillas de San José o La Dorada.
Tras la muerte del maestro en 1575, se encargó de la dirección Francisco del Castillo, con una visión más clasicista. Levantó los pilares del crucero y se dedicó a la decoración de las bóvedas.
A partir de 1584 le sucedieron en las tareas de proyección y dirección, el jesuita Juan Bautista Villalpando y Alonso Barba.
Barba era un continuador de Vandelvira.
Villalpando era un admirador de Herrera y su obra del Escorial. También era filósofo seguidor de la teoría pitagórica que defiende que los números reflejan la armonía musical del Universo. Creía que la arquitectura debía de reflejar la perfección geométrica de la divina creación del mundo.
En 1593 se concluyen obras catedralicias.
El órgano se renovaría en 1788 con uno nuevo.
La Catedral de Baeza fue declarada "Monumento Nacional" en 1931.
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