Obecny gmach powstawał etapami. Wznoszenie gotyckiej katedry zaczął w czasach panowania Władysława Łokietka biskup Nanker od budowy Kaplicy św. Małgorzaty (obecnie zakrystia). Prezbiterium z obejściem było gotowe w 1346. W latach 1346–1364 z inicjatywy oraz z funduszów biskupów Jana Grota i Bodzanty powstała reszta kościoła: korpus nawowy (nawa główna, transept i nawy boczne). W budowie uczestniczyło kilka kolejnych warsztatów budowlanych, a budowniczych chóru należy wywodzić ze Strasburga. 28 marca 1364 roku, w obecności króla Kazimierza Wielkiego, arcybiskup gnieźnieński Jarosław z Bogorii i Skotnik konsekrował katedrę.
Gotyckiej świątyni nadano formę trójnawowej bazyliki z transeptem i prostokątnym prezbiterium z obejściem, ambitem i trzema wieżami, otoczona wieńcem kaplic. Wszystkie części katedry zostały zorganizowane wokół miejsca, w którym znajdowały się ołtarz i relikwie św. Stanisława, a cały rzut wykazuje w związku z tym bardzo mocną tendencję do centralizacji. Oba wejścia do kościoła otwierają się na środkowe przęsło z ołtarzem św. Stanisława. Katedra krakowska wyróżnia się dużymi rozmiarami, bogatym układem przestrzennym oraz rozbudowaną dekoracją architektoniczną wnętrza, co zapewnia jej istotne miejsce wśród katedr gotyckich Europy Środkowej.