El bisbat d'Urgell era ja constituït al segle VI. L'església episcopal -de planta basilical, sòlida estructura pètria i discreta ornamentació, segons costum de l'època-, estava emplaçada al recinte de la ciutat romano-visigòtica d'Orgellia, on avui hi ha Castellciutat. Tot el conjunt -fortificació, ciutat i església-, fou saquejat i enderrocat pels sarraïns, probablement l'any 793, com molts altres nuclis habitats de la Cerdanya i de l'Urgellet.

Temps després, amb els reis francs impulsant la reconquesta i un cop alliberat el territori, promogueren l'obra de reconstrucció de l'església i el bisbat d'Urgell. La nova catedral va ser aixecada durant el segle IX en un raval perifèric de l'antiga ciutat, nucli originari de la futura Seu d'Urgell.

Als inicis del segle XI, considerant insuficient aquella segona catedral, sant Ermengol (1010-1035) emprengué l'edificació d'un nou temple que no va poder veure acabat pel fet d'haver mort de forma fortuïta a les obres de construcció d'un pont sobre el riu Segre, al terme de Bar. El seu successor, Eribau (1036-1041), acompanyat d'altres cinc prelats, en féu la dedicació el 1040.

L'església actual és, cronològicament, la quarta de les conegudes. A principis del segle XII, la catedral de sant Ermengol es trobava en estat ruïnós. El bisbe sant Ot (1095-1122) fou l'animador d'una nova construcció. L'impuls, però, definitiu a la nova catedral esdevingué a partir de 1175, quan Ramon Lambard es compromet, en el termini de set anys, a tancar els murs de l'església, cloure la volta, fer el cimbori i aixecar les torres per sobre les voltes. Lambard va complir tal com s'havia convingut, no sense haver-hi la pròrroga d'una dècada, almenys. Tanmateix, les guerres i altres malvestats d'aquell tombant de segles impossibilitaren continuar l'obra de Santa Maria.