Como sede episcopal, Segorbe abunda en arquitectura religiosa, iglesias y conventos, constituyendo éste el conjunto más monumental. Llego a albergar en su término ocho conventos. La catedral se construyó intramuros, adosada en parte a las murallas, a partir de la repoblación cristiana en tiempos de Jaime I. Fue comenzado a construir en el siglo XIII. Era gótico, de una sola nave, con capillas situadas entre los contrafuertes y cabecera ochavada. Se tienen noticias de la actuación de un maestro llamado Juan de Burgos en el siglo XV. La construcción medieval fue consagrada en el 1534. Del núcleo original del siglo XIII nada queda, quedando el conjunto configurado en planta en el siglo XIV y completándose en el siglo XV diversas partes tales como las capillas claustrales, la capilla del Salvador y sala capitular, torre y presbiterio este último obra de Juan de Burgos.

El templo era gótico, de una sola nave, con capillas entre contrafuertes y cabecera irregular. Entre 1791y 1795 el templo fue revestido y renovado por los arquitectos Maur Minguet y Juan B. Gascó. Participaron afamados artistas de la época como José Vergara y los Camarón. El resultado supuso la práctica ocultación de toda la obra gótica. Se agranda el coro mediante la eliminación de uno de los arcos, se derriba la bóveda y se amplía el presbiterio a costa de algunas edificaciones anexas. Sólo al exterior puede verse de la fábrica antigua, algún muro y contrafuertes recrecidos. Las bóvedas de crucería de las capillas laterales se mantienen ocultas, sobre el revestimiento neoclásico. Con todo, la intervención de Gascó, aunque destructiva para la obra gótica, supuso la creación de una de las mejores arquitecturas clasicistas del territorio valenciano y aún español.

Su claustro gótico, de planta trapezoidal debida a la irregularidad de la muralla a la que se adosa, constituye uno de los ejemplares más raros, de gran atractivo por su sencillez. Muestra ciertas similitudes con el claustro gótico del Carmen en Valencia, pero con mayor arcaísmo. El claustro es de planta trapezoidal y consta de dos pisos. El inferior por su molduraje muestra haber sido construido en los siglos XIV y XV. El superior (muy renovado tras la última guerra civil) es obra muy de finales del siglo XV o comienzos del XVI.  En el claustro superior, con galería de columnillas, alberga el Museo Catedralicio, donde hallan cobijo una importante colección de tablas góticas, el retablo mayor, obra de Vicente Macip y un gran número de ornamentos religiosos. El museo catedralicio tiene una valiosísima colección artística, principalmente de pintura religiosa de los siglos XIV a XVI. El claustro conserva una magnífica colección de rejas medievales.