Le roi Alphonse VI et le pape Grégoire VII nommèrent Burgos siège épiscopal en 1075, poursuivant ainsi l'héritage épiscopal du diocèse médiéval d'Oca, dont le prélat signa le IIIe concile de Tolède en 589.

Le monarque encouragea la construction d'une cathédrale dédiée à la Vierge Marie, dont le plan est inconnu mais que l'on suppose être de style roman et similaire aux œuvres contemporaines (l'église de Silos, le monastère de San Pedro de Arlanza, l'église de San Martín de Frómista et la cathédrale de Jaca). Des documents montrent que le monarque a fait don du terrain de la résidence royale de son père Fernando I et d'une petite chapelle dédiée à Santa María, qui était en cours de construction, pour l'énorme effort.

Cette cathédrale fut construite en 1096, mais elle était trop petite pour une ville qui était la capitale symbolique du royaume, un siège épiscopal puissant (le chapitre de la cathédrale comptait plus de trente membres avant 1200) et un centre commercial en plein essor. Au début du 13e siècle, la construction d'une nouvelle cathédrale fut décidée. Comme c'était le cas à l'époque, l'édifice roman (dont il ne reste que quelques éléments sculptés) a été détruit et la nouvelle cathédrale gothique a été construite à son emplacement, agrandie par la démolition de quelques maisons environnantes fournies par l'évêque Marino.