La catedral de Santa María de Burgos se levanta sobre el solar de la antigua catedral románica. El obispo Mauricio y el rey Fernando III colocaron su primera piedra el 20 de julio de 1221; en 1230 ya se celebraba culto en el nuevo templo, que se consagró en 1260, aunque las obras se prolongaron durante más de tres siglos. Monumento nacional desde 1885, fue declarada Patrimonio de la Humanidad el 31 de octubre de 1984 y es la única catedral española que tiene esa distinción por sí sola, sin formar parte de un conjunto histórico. En 2021 celebró el octavo centenario de su fundación.
El templo tiene planta de cruz latina, de 84 por 59 metros, con tres naves, un crucero de una sola nave y una girola que rodea la capilla mayor. La nave central, de 25 metros de altura, se cubre con bóvedas de crucería con nervio de espinazo, y a lo largo de sus muros corre un triforio cuyos tramos más próximos al crucero recibieron a finales del siglo XV una decoración flamígera, quizá obra de Juan de Colonia. A los pies, en lo alto, el Papamoscas, un autómata del siglo XVIII que sustituyó a otro anterior, abre la boca y tañe una campana a cada hora; a su derecha, el Martinillo da los cuartos.
A mediados del siglo XV la catedral incorporó las formas del gótico centroeuropeo. Juan de Colonia levantó las agujas caladas de la fachada principal, costeadas por los obispos Alonso de Cartagena y Luis de Acuña, y hacia 1460-1470, por encargo de este último, un primer cimborrio sobre el crucero. Su hijo Simón de Colonia comenzó en 1482 la capilla del Condestable, en la cabecera, para el condestable de Castilla Pedro Fernández de Velasco y su mujer, Mencía de Mendoza. La cubre una bóveda estrellada octogonal cuya zona central, calada, deja pasar la luz cenital.
El cimborrio de Juan de Colonia se hundió en la noche del 3 al 4 de marzo de 1539. El cabildo encargó de inmediato su reconstrucción a Juan de Vallejo, sobre un diseño que se atribuye a Juan de Langres, discípulo de Felipe Bigarny. El nuevo cimborrio, terminado en 1568, es un prisma octogonal de dos cuerpos, con cuatro torrecillas rematadas en agujas en las esquinas, y descansa sobre cuatro grandes pilares circulares. Por dentro lo cierra una bóveda estrellada de ocho puntas, de doble estructura y plementería calada. Bajo ella reposan desde 1921 el Cid y doña Jimena, cuyos restos se trasladaron desde el monasterio de San Pedro de Cardeña.
En las naves laterales y en la girola se abren numerosas capillas de distintas épocas. La de la Natividad, construida entre 1571 y 1582 por Martín de Bérriz y Martín de la Haya, se cubre con una bóveda oval sobre trompas, en las que están pintados los cuatro padres de la Iglesia latina. En el siglo XVIII se añadieron la capilla de Santa Tecla, la de las Reliquias y la sacristía. En 2023 la catedral y la Universidad de Burgos presentaron una experiencia de realidad virtual que permite recorrer, con gafas inalámbricas, las partes más altas del edificio, inaccesibles para el público, a partir de modelos obtenidos por fotogrametría.
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