La catedral de la Santa Creu i Santa Eulàlia és una basílica gòtica seu de l'arquebisbat de Barcelona, declarada bé cultural d'interès nacional. Es va construir durant els segles  al , al mateix lloc on hi havia hagut una catedral romànica, i encara abans una de paleocristiana. La façana i l'agulla sobre el cimbori, d'estil neogòtic, són moderns (segles -).

La dedicació del temple a la Santa Creu, molt poc habitual, és una de les més antigues del món cristià i probablement es remunta a mitjan . La dedicació a Santa Eulàlia de Barcelona (copatrona de la ciutat), una jove màrtir durant l'Imperi Romà, es coneix des del 877, quan el bisbe Frodoí va trobar-ne les restes prop de Santa Maria de les Arenes i les va traslladar solemnement a la catedral.

Història Basílica paleocristiana La basílica paleocristiana està documentada des del , ja que l'existència de bisbes de Barcelona es coneix des de mitjan . De fet, el document existent més antic és de l'any 343 i correspon al Concili de Sàrdica, al qual consta l'assistència del bisbe de Barcelona, Pretextat. A part, a partir del 599, al segon concili Tarraconensis de Barcelona, el cronista Joan de Bíclar va escriure les actes del concili, en què consta que la catedral paleocristiana està sota l'advocació de la Sanctae Crucis.

Les restes trobades de l'aula, que són bàsicament el paviment i l'arrencada de les columnes, van fer pensar que corresponien a la primitiva catedral, de tres naus (la planta típica de les basíliques romanes) disposades transversalment a l'actual, amb la capçalera al nord-est i els peus situats sota les capelles del costat de l'Evangeli (nord) de la catedral actual, però actualment se sap que aquesta aula basilical en realitat era una sala de recepció del palau episcopal, mentre que la catedral devia estar a sota de la catedral actual, i si no se n'han trobat restes, és perquè aquesta zona no ha estat excavada. Aquesta catedral va ser remodelada completament abans del i fou destruïda el 985 per la ràtzia d'Almansor.

Entrant pel soterrani del Museu d'Història de la Ciutat de Barcelona, es poden visitar restes del baptisteri de la basílica paleocristiana (situat sota el rerecor de la catedral actual), amb una piscina octogonal. Fou excavat per l'arqueòleg Frederic-Pau Verrié el 1965.

miniatura|centre|Maqueta del temple i el conjunt episcopal de Barcino cap als segles - (Museu d'Història de la Ciutat de Barcelona)

Catedral romànica La catedral romànica, consagrada el 18 de novembre de 1058 per l'arquebisbe de Narbona, fou construïda per impuls del bisbe Guislabert i tenia la mateixa orientació de l'actual, tot i que era molt més petita. De tres naus amb tres absis i sense creuer, tenia el campanar prop d'on ara hi ha el claustre, i el presbiteri i la cripta al mateix lloc. Tenia un atri, que ocupava la meitat de l'espai actual del rerecor i les naus arribaven només fins a l'actual cor. Se n'ha localitzat part del basament de la porta principal, que també es pot veure entrant pel Museu d'Història de la Ciutat, així com algunes pedres aprofitades en la construcció dels fonaments de la catedral gòtica. Part de la porta principal o d'una porta lateral podria haver estat reaprofitada en la porta del claustre. D'aquesta mateixa època són els dos grans capitells corintis que sostenen l'ara de l'altar major.

Catedral gòtica Les obres de construcció de la catedral gòtica es varen iniciar el maig de 1298, regnant Jaume el Just i sota el mandat episcopal de Bernat Pelegrí (1288-1300), començant per la capçalera, desmuntant alhora l'antiga catedral romànica i aprofitant-ne algun element, sobretot escultòric com possiblement les impostes de la porta de Sant Iu, que és la més antiga de la catedral.

Les obres no es van plantejar com la construcció d'una nova catedral sinó més aviat com una reforma i ampliació de la catedral romànica (...extensione et ampliatione nostre catedralis ecclesie...), que es va dur a terme per fases sense enderrocar mai completament el temple i seguint-lo fent servir per al culte durant tota la durada de l'obra, i fins i tot algunes parts de la catedral romànica van servir de bastida per construir la gòtica. Així, la catedral gòtica conserva el mateix eix que la romànica i el deambulatori està construït al voltant de l'absis romànic.

A la primera etapa es construí l'absis, les capelles radials i la cripta del presbiteri que es va acabar el 1338, essent el mestre d'obres Jaume Fabre, primer arquitecte del qual es té notícies, durant el mandat del bisbe Ponç de Gualba (1303-1334). El 23 de juny de 1317 signava un contracte.

La segona etapa fou el perllongament de les tres naus amb les seves capelles i finalment el cimbori cobert amb cassetonat de fusta, les capelles als peus del temple i el mur amb què es va tancar el 1420, tot esperant poder fer la façana, que ja estava traçada per Carles Galtés de Ruan (dit el Carlí) el 27 d'abril de 1408.

Es pot dir que les obres de la construcció gòtica van durar uns 150 anys i entre els mestres d'obra que van participar hi ha Bertran Riquer (1344), Bernat Roca (1358), Arnau Bargués (1397), Jaume Solà (1401), Bartomeu Gual (1413) i Andreu Escuder (1442). Darrerament s'ha pogut documentar l'existència d'un nou mestre major de les obres, anterior a l'activitat de Roca, anomenat Jaume Saragossa.

Façana neogòtica La iniciativa d'acabar la Catedral va partir del mecenatge de l'empresari Manuel Girona i Agrafel, que el 1880 va dur a terme dos projectes (tot i haver cursat estudis d'Arquitectura a Madrid, no acabà la carrera) inspirats en les traces del mestre Carles Galtés de Ruan (1408). Foren signats per Josep Oriol Mestres, arquitecte titular de la Catedral des de l'any 1855 i amb qui havia coincidit a Madrid.

Entre el 9 i el 12 de març de 1882, el capítol va organitzar una exposició de projectes a la Sala capitular, on més dels de Girona, se'n van presentar dos del mateix Mestres (1860 i 1864), més un tercer en col·laboració amb August Font (1882), i un altre de Joan Martorell (1882), que rebé els elogis de la premsa i del públic en general. Martorell va dissenyar dues torres laterals de 53 m d'alçada per a contrarrestar l'acusada horitzontalitat de la façana (40 m), i va emfatitzar la verticalitat del conjunt amb una altíssima agulla terminal de 97 m. També va suprimir la rosassa, atès que el cimbori podia il·luminar prou bé les naus, i el substituí amb un parament enriquit d'estàtues de sants, escollits entre els nascuts a la ciutat i els seus patrons.

El 30 de març del 1887, la Reial Acadèmia de Belles Arts de Sant Ferran hi va emetre un dictamen en què es decantava pel projecte de Girona i va donar via lliure a l'inici de les obres de la façana, deixant la qüestio del cimbori per a més endavant. Aquestes foren dirigides per Mestres i el seu ajudant Font i van començar el 4 de juliol del 1887 i es van acabar el 12 de febrer del 1890. A la mort del primer el 1895, fou succeït en el càrrec pel segon, que va lliurar a la Reial Acadèmia de Sant Ferran un nou projecte per a modificar la façana i començar a treballar en el cimbori. Hi va afegir dues torres als costats i va dotar la façana d'elements decoratius que l'acabarien acostant al disseny de Martorell. Font rebé el permís el 27 de gener del 1896, i les obres començaren un mes mig i més tard. Es van quedar acabades el 12 de febrer del 1898.

Cimbori Després de la mort de Manuel Girona el 31 d'octubre del 1905, els seus fills Manuel i Anna Girona i Vidal-Quadras van visitar el capítol catedralici i el bisbe per a fer-se càrrec de la construcció del cimbori. Inicialment, tenien la intenció de costejar-la amb l'ajuda d'institucions públiques i de particulars, però finalment hagueren de fer-ho amb els seus propis recursos. Les obres començaren el juliol del 1906, i s'acabaren l'agost del 1912, projectades i dirigides pel mateix Font.

Per tal de construir-lo, s'hagué desmuntar l'obra feta a l'època del bisbe Sapera (1420), numerant els carreus. Un cop examinats els fonaments i amidades les seccions dels pilars que l'havien de suportar, es va calcular el pes de l'obra que es volia construir i es determinà que la resistència era més que suficient. Aleshores, es va decidir assentar-lo sobre tres arcs apuntats nous, iguals als transversals de la nau, per tal de descarregar-hi els torals de mig punt i tenir uns punts de recolzament més forts, i d'aquesta manera quedaria més elevat i segur.

Restauració Entre 1968 i 1972, l'arquitecte de la catedral Joan Bassegoda i Nonell va dirigir les obres de neteja dels interiors, ennegrits des de feia segles pel fum de les espelmes.

El 2005 van començar les obres de restauració de la façana principal, juntament amb les dues torres laterals i el cimbori, a càrrec dels arquitectes Josep Fuses i Comalada i Mercè Zazurca i Codolà. El pressupost inicial era de més de 4 millions d'euros, tot i que va augmentar a 7 milions. Es van desmuntar una tercera part de la façana i es van substituir els blocs deteriorats, així com els ancoratges de ferro oxidats per les filtracions d'aigua per uns altres d'acer inoxidable o titani. Ja que les pedreres de Montjuïc foren clausurades fa temps, es van fer servir blocs de pedra de Montjuïc que l'Ajuntament de Barcelona tenia als seus dipòsits, i si amb aquesta no n'hi hagués prou, se n'importaria una de similar d'unes pedreres d'Escòcia.

El 2010 es va retirar l'estàtua de bronze de Santa Helena del pinacle del cimbori per a restaurar-la, i es va tornar a col·locar al seu lloc durant les festes de la Mercè del 2011.

El 2024 es va inaugurar una reforma dels terrats, sobre una superfície de 2.002 m² quadrats de rajola. Es va impermeabilitzar, sanejar i recuperar el paviment original, així com millorar els accessos amb baranes, escales i un nou ascensor, que permeten als visitants tenir-hi una visió panoràmica de la ciutat.

Arquitectura miniatura|Voltes de la nau central i cimbori miniatura|Deambulatori i naus de la catedral miniatura|Les capelles de Sant Bernadí (esquerra) i de la Verge del Roser (dreta). La galeria sobre les capelles està coberta amb dues voltes de creueria

El conjunt està format pel temple i el claustre, perfectament units pel mateix estil gòtic. Les mides de la catedral són a l'exterior de 93 m de longitud per 40 d'ample i 28 d'altura en la nau central; el jardí del claustre fa 25 m per costat més per 6 d'amplària de cada galeria de les quatre que l'envolten. Els campanars fan 53 m d'alçada; el cimbori, 80 a l'exterior i 41 a l'interior, del terra a la clau de volta.

A l'interior, les naus fan 79 m de longitud i 25 d'amplada, als quals s'han de sumar 6 m per cada banda per la profunditat de les capelles laterals. Aquestes fan 9 m d'alt i 6 d'ample en l'entrada. La nau central fa 26 m d'alçada i 13 d'amplada; les laterals, 21 d'alt i 6 d'ample (tant com les capelles). Els pilars, des del terra fins a les impostes, fan 15,5 m d'alt.

Estructura del temple La catedral és formada per tres naus de la mateixa altura, que des del fals creuer les naus circulars s'uneixen en girola, passant per darrere del presbiteri i formant un arc semicircular, on s'allotgen nou capelles; per sobre d'aquestes capelles hi ha grans vitralls i un fals trifori des d'on es poden veure les claus de volta a una distància d'uns tres metres.