El año 916 fue de suma trascendencia para la historia de la Catedral de León: el rey Ordoño II, que hacía pocos meses había ocupado el trono de esta ciudad, venció a los árabes en la batalla de San Esteban de Gormaz. "Agradecido a Dios por el beneficio que acababa de recibir", comenta el Tudense, cedió su palacio real para que en sus aulas se erigiese el primer templo catedralicio. Todo ocurría bajo el episcopado de Fruminio II, quien, "con la ayuda del pueblo fiel", transformó aquellos espacios en lugar sagrado. Anteriormente al rey Ordoño, habían estado dedicados a termas y otros edificios públicos que la Legio VII había construido a mediados del siglo II, cuando instaló su campamento en este lugar, entre los ríos Torío y Bernesga. Nada queda de estas primitivas edificaciones, salvo algunos restos de mosaicos, tégulas y cerámicas, hoy expuestas en el Museo. Otros, como los hipocáustos, permanecen aún bajo el solar catedralicio.
Siguiendo la tradición cristiana de enterrar dentro de los templos a quienes encarnaban la autoridad "venida de Dios", aquella sencilla catedral muy pronto se vió enriquecida con los restos del rey Ordoño, fallecido en Zamora el año 924. En el epitafio de su tumba, labrada en el siglo XIII, se perpetúa el piadoso agradecimiento del pueblo leonés, por "haber cedido su silla real para sede episcopal".

El templo estaba custodiado y regido por monjes de san Benito, y es muy probable que su estructura fuera muy similar a la de tantos y otros existentes durante la mozarabía leonesa.

Nos hablan las crónicas del paso de Almanzor por estas tierras a finales del primer milenio, devastando la ciudad y destruyendo sus templos. No obstante, parece que los daños ocasionados a la fábrica de la Catedral debieron de ser fácilmente resarcidos, ya que el año 999 era coronado en ella, en un acontecimiento lleno de esplendor, el rey Alfonso V. Tras una sucesión de revueltas políticas y de duras empresas bélicas, hacia el 1067 el estado de la Catedral era de suma pobreza. Ello conmovería al rey Fernando I, quien, después de trasladar los restos de san Isidoro a León, "se volcó en favores a la misma". Con este rey se inició una época pacífica y bienhechora, cosechando grandes triunfos en la expansión del reino cristiano. Era el momento del florecimiento del románico isidoriano.

Con la ayuda de la princesa Urraca, hermana del Rey, se inicia la construcción de un nuevo edificio, acorde con las aspiraciones de la cristiandad románica, y dentro de su estilo arquitectónico. Ocupaba la sede episcopal Pelayo II. Cuando el arquitecto Demetrio de los Ríos, entre los años 1884 y 1888 excavó el subsuelo de la catedral para reponer el pavimento y cimentar los pilares, encontró parte de los muros y fábrica de aquella segunda catedral. A través del plano que él mismo levantó, podemos apreciar como se configuraba todo dentro de la gótica: era de ladrillo y mampostería, con tres naves rematadas en ábsides semicirculares, dedicado el central a santa María, como en la iglesia anterior. Aunque toda ella estuviese ejecutada dentro de las corrientes internacionales, contemplando lo que ha pervivido de su estatutaria, podemos averiguar que tenía su carácter autóctono, utilizándose aún el arco de herradura, al menos como forma decorativa. Se sabe que fue consagrada el 10 de noviembre de 1073. Es de suponer que en ella trabajasen los canteros que lo estaban haciendo en san Isidoro.

Esta catedral se mantuvo en pie hasta finales del siglo siguiente. Cuando accede al trono el último rey de León, Alfonso IX, se asiste en la ciudad y en el reino a un importante cambio social, de creatividad artística y desarrollo cultural.