La obra debió parecer pequeña sólo unas décadas después, pues en la segunda mitad del siglo XII, en tiempos de Alfonso VIII se decidió derribarla para edificar una gran catedral de mayor prestancia, con una arquitectura más vanguardista imitando otros templos franceses que se habían iniciado en la Île-de France, como Saint Denis y Vezelay. Parece que pudo ser un tal Maestro Fruchel, enigmático personaje de probable origen francés que pudo traer a Ávila las primeras formas góticas borgoñonas, quien se encargó de las obras a partir de 1172 y que a su muerte en 1192 vería casi finalizada la compleja cabecera llevada a cabo principalmente con piedra “arenisca sangrante” por su impactante veteado rojo férrico sobre fondo blanco, procedente del Valle de Amblés. Las obras de la girola se desarrollarían entre 1170 y 1180, y se sabe que en 1181 se procedió al enterramiento del Obispo Don Sancho en la capilla central de la girola.
A partir de esta fecha otros maestros continuarían y modificarían el plan de las obras, ya en estilo gótico y con piedra berroqueña. Lo extraordinariamente controvertido de la datación y progreso del edificio y el escaso acuerdo entre sus estudiosos, hace que no nos extendamos más en su cronología.
El templo tiene tres naves de cuatro tramos, amplio crucero y cabecera formada por capilla mayor, girola de doble nave y capillas radiales. Realmente el único elemento que se puede considerar románico, aunque en una fase muy tardía, ya protogótica, es la cabecera y parte de los muros orientales del crucero. El desarrollo de las naves hasta los pies, su abovedamiento y las torres son de concepción ya del primer gótico.
La cabecera está constituida por un ábside interior formado por un semidecágono y dos tramos más paralelos y rectos. Alrededor corre una girola de dos naves de desigual anchura y, por último el cerramiento exterior de la cabecera es circular coincidiendo con el cimorro, pero lleva nueve capillas circulares inscritas.
