Son nom complet est la cathédrale de Nuestra Señora de la Asunción y San Frutos. 

De style gothique tardif, sa construction a commencé en 1525 avec la collaboration bénévole des Ségoviens, sous la direction des architectes de la famille Gil de Hontañón, mais elle n'a été consacrée qu'en 1768. Cette cathédrale a remplacé l'ancienne cathédrale, située en face de l'Alcazar, qui fut détruite lors de la Guerra de las Comunidades (guerre des Communautés) en 1520. 

À l'extérieur, orientée vers l'ouest, se situe la façade principale, connue sous le nom de Puerta del Perdón (Porte du Pardon), où se trouve une sculpture de la Sainte Vierge réalisée par Juan Guas. On y trouve également l' « Enlosado », un espace pavé actuellement utilisé comme scène pour des activités culturelles. La tour, l'un des éléments les plus remarquables de par sa hauteur, a été habitée jusqu'au milieu du XXe siècle par le carillonneur ; elle est l’une des attractions touristiques les plus populaires de la ville. 

La porte de San Geroteo, qui porte le nom du premier évêque de la ville, s'ouvre au sud. La porte de San Frutos, construite en l'honneur du saint patron de la ville au début du XVIIe siècle, fait face au nord. 

La cathédrale présente un plan à trois nefs et un transept couvert d'une coupole, conçue par Pedro de Brizuela au XVIIIe siècle, avec une abside semi-circulaire au niveau du chevet et du déambulatoire, entourée de chapelles. 

La grandeur et l'harmonie des dimensions définissent les espaces intérieurs, avec de magnifiques vitraux du XIVe siècle, le chœur, qui conserve les stalles gothiques de l'ancienne cathédrale, les orgues baroques du XVIIIe siècle, la collection de grilles et la chaire, qui veille sur les reliques de San Frutos. 

L'intérieur compte 18 chapelles, décorées d'importantes peintures et sculptures. Parmi les exemples les plus remarquables, citons le calvaire roman de la chapelle du Sacrement, le triptyque d'Ambrosius Benson et le retable de La Piedad, de Juan de Juni, dans la chapelle du Saint Enterrement, près de la porte de San Frutos, ainsi que le Christ gisant de Gregorio Fernández. 

Le musée de la cathédrale abrite des œuvres d'art remarquables de Pedro Berruguete, Sánchez Coello et Van Orley, et les archives de la cathédrale conservent plus de 500 incunables, dont le Synodal d'Aguilafuente, le premier livre à avoir été imprimé en Espagne.