Segundo escavações realizadas sob o antigo Palácio Episcopal, adjacente à Igreja da Santa Cruz, foi estabelecida a cronologia histórica da área. Essas escavações sugerem que a igreja pode ter sido construída sobre o sítio de um antigo templo cristão e visigodo ou do Teatro Romano de Gades.
Sabe-se que o rei Afonso X de Castela, conhecido como "o Sábio", ordenou a construção de uma igreja por volta de 1262-1263 sobre as ruínas de uma mesquita árabe, com a intenção de ser sepultado ali. No entanto, após sua morte, ele foi enterrado em Sevilha.
A igreja gótica e seu teto de caixotões sofreram algumas reformas nos séculos XV e XVI, até serem incendiados em 1596 pela frota anglo-holandesa comandada pelo almirante Charles Howard, 1º Conde de Nottingham, e Robert Devereux, 2º Conde de Essex. Essa frota atacou, invadiu e saqueou Cádiz, abandonando a cidade após o incêndio, deixando a igreja quase completamente destruída. Apenas o arco de entrada e a abóbada de nervuras do batistério sobreviveram.
Após a destruição da igreja anterior, esta teve de ser reconstruída no século XVII, e a igreja que se encontra hoje é a que existe atualmente. Em 1597, a obra de reconstrução foi confiada ao mestre de obras do bispado, Ginés Martín de Aranda. O projeto final de construção, concebido pelo engenheiro militar Cristóbal de Rojas, foi concluído em 1602, consagrado em 15 de junho de 1602 e aberto ao culto em 29 de maio de 1603.
O exterior do telhado é coberto com telhas multicoloridas. O exterior das abóbadas também é coberto com telhas multicoloridas que datam do início do século XVII.
A torre sineira, construída no século XV e separada do resto da igreja, é encimada por uma agulha de telhas policromadas. Os dois primeiros andares consistem em uma escadaria, e o terceiro andar conecta-se ao antigo prédio do tesouro (agora o museu da catedral). A torre tem planta retangular e é coroada por uma agulha revestida de azulejos.
O edifício do século XVII foi construído nos estilos maneirista e barroco. Possui planta retangular (igreja-salão), com um falso transepto e três naves separadas por colunas toscanas, arcos ogivais e abóbadas de aresta. O transepto é coberto por uma cúpula hemisférica sobre pendentes.
Na segunda metade do século XVII, a Catedral de Santa Cruz foi enriquecida à medida que a população crescia e a cidade alcançava grande prosperidade por meio do comércio com as Índias.
Retábulo-mor, obra de Alejandro de Saavedra
Capela dos Genoveses
Capela dos Biscaios, que abriga a pintura da Última Comunhão de São Fernando, pintada por Antonio Hidalgo em 1683
Capela das Relíquias
Torre do Tabernáculo (segunda metade do século XVIII), obra de Torcuato Cayón
Pinturas e imagens graças ao patrocínio do Bispo Alonso Vázquez de Toledo
Portal lateral em mármore genovês de Andreoli.