El inicio de las obras en la catedral de Toledo se sitúa en torno a 1222-1224, vinculadas a la personalidad de su promotor, el obispo Ximénez de Rada. Se planteó una iglesia de cinco naves con doble girola y sin transepto marcado al exterior, según el modelo seguido inicialmente en Nôtre-Dame de París, toda ella de una gran monumentalidad. La cabecera, el ámbito más complejo por la necesidad de resolver adecuadamente los empujes y contrarrestos de la estructura, constaba ya de quince capillas en 1238. Pero la muerte de Ximénez de Rada en 1248, supuso una clara ralentización de la obra. En los últimos años del siglo XIII, la iglesia está aún por terminar y data del siglo XIV su conclusión definitiva, realizándose obras posteriores como el famoso Transparente.
Como en Burgos, los arquitectos de la cabecera de Toledo distribuyeron toda la altura del muro en tres pisos que se desarrollan en sentido horizontal. En el intercolumnio inferior, los soportes, igual que en la catedral de Mauricio, son robustos pilares circulares rodeados de ocho baquetones, en relación con arcos y nervios. En la girola y colaterales internas del coro, el cuerpo de luces está formado por pequeños óculos de tracería gótica. Pero la mayor singularidad reside aquí en el nivel del triforio -todavía ciego-, donde la introducción de arquillos lobulados y entrecruzados se ha interpretado como producto de una hispanización o mudejarización de las formas, que no ha de extrañar en una ciudad en la que hacía siglos se había asumido plenamente tal lenguaje plástico.
Fruto de la reflexión sobre una serie de ensayos desarrollados en Francia, el primer maestro de Toledo logró resolver en la girola los problemas que había planteado a los arquitectos góticos el abovedamiento con crucería de los tramos irregulares que resultaban de la forma circular de una girola. Para ello descompuso la doble corona anular en una sucesión de tramos triangulares y rectangulares. En estricta correspondencia con los pilares internos organizó el sistema de contrarrestos al exterior: los arbotantes se bifurcan por dos veces y se escalonan en altura, descendiendo progresivamente desde los pilares del presbiterio hasta los soportes de la girola externa. Este sistema de descomposición de fuerzas le permitió al mismo tiempo adelgazar los contrafuertes y multiplicarlos y, por tanto, abrir un elevado número de capillas.La catedral de Toledo es la empresa de carácter monumental más ambiciosa de las emprendidas a lo largo del siglo XIII en nuestra Península; si también constituye un testimonio irrefutable de la voluntad de adaptar de un modelo foráneo a la tradición local (la despreocupación por lograr una estructura esbelta, en sintonía con lo francés, es total), no es un edificio redondo, porque, probablemente, lo segundo no acaba de funcionar.
Se le atribuye el proyecto general de la obra al maestro Martín, quien construyó el deambulatorio con las capillas radiales en los primeros doce años de la construcción de la catedral. Los siguientes 50 años, se hizo cargo de la obra un maestro llamado Petrus Petri, probablemente de origen francés, quien levantó el transepto y parte de las cinco naves.