La cattedrale è dedicata dal 599[1] alla Santa Creu (la Santa Croce), ricordata ogni 3 di maggio con una benedizione solenne impartita a tutta la città dalle terrazze della chiesa.[2][3] Dall'anno 877,[1] la chiesa è anche intitolata santa Eulalia, la patrona di Barcellona (12 febbraio), santa che subì il martirio in epoca romana. La leggenda dice che la donna fu esposta nuda fino a quando, a metà primavera, cadde la neve per coprirne il corpo; le autorità di allora, la misero in una botte chiodata e la fecero rotolare per una stradina che adesso si chiama Baixada de Santa Eulàlia. La dedicazione alla Santa Croce risale almeno al VI secolo[2].

La cattedrale attuale fu costruita in stile gotico tra il XIII e il XV secolo sui resti di precedenti chiese situate sulla sommità del cosiddetto Monte Tabor,[4] colle che costituisce la parte più elevata della città vecchia[4].

Il primo edificio fu una basilica paleocristiana (IV[4]-VII secolo) a tre navate, con battistero a pianta quadrata che ospitava una fonte battesimale ottagonale. Rimase intatta durante l'invasione dei Visigoti, forse fu trasformata in moschea durante l'occupazione musulmana della città (718-801), per essere restaurata intorno al 877 dal vescovo Frodoí.

Ritrasformata in stile romanico, fu consacrata nel 1058[4]. Più piccola dell'attuale, era anch'essa a tre navate con tre absidi sopraelevate, un portico nella facciata e campanile.

La costruzione dell'attuale edificio, intesa come ristrutturazione e ampliamento della chiesa romanica, iniziò nel maggio del 1298[4] durante il regno di Giacomo II d'Aragona e il vescovado di Bernardo Pelegrí (1288-1300) per continuare fino alla seconda metà del XV secolo, senza che la chiesa venisse mai chiusa. Per questo motivo mantenne lo stesso asse della chiesa romanica.

Nella prima fase (1338) si costruì, attorno all'abside romanico, il deambulatorio, la nuova abside con le cappelle radiali e la cripta del presbiterio ad opera dell'architetto Jaime Fabre. A lui successe Bernat Roca che nel 1358 costruì i primi tratti della volta e la galleria sopra le cappelle e, contemporaneamente, iniziò il chiostro. Morto nel 1384, fu sostituito dallo scalpellino Pere Viader fino all'anno 1397 in cui subentrò l'architetto Arnau Bargués, che realizzò la sala capitolare. Il suo aiutante Jaume Solá ebbe l'incarico dal 1407 al 1412: a lui successe Bartolomé Gual, che rimase in carica fino al 1441. A lui si devono il ciborio della cupola in pannelli di legno e la continuazione del chiostro. Andrés Escuder, nominato il 1 marzo 1442 e fino al 1463, terminò il chiostro e praticamente la struttura totale dell'edificio. Mancava solo la facciata, che, dopo il concorso promosso da Manuel Girona Agrafel e i suoi figli nel 1882, fu realizzata da Josep Oriol Mestres per la Esposizione universale di Barcellona del 1888 in stile neogotico, ispirandosi a quella disegnata nel 1408[5] da Carles Galtés de Ruan.