Construite en pierres de Mousserolles (pierre ocre) puis en pierres de Bidache (pierre blanche), la cathédrale Sainte-Marie est située en plein cœur de la ville de Bayonne dans le quartier historique. Elle est située sur une butte qui domine l'Adour et la Nive. Elle appartient au style gothique rayonnant avec une influence champenoise surtout dans l'abside et le déambulatoire. Au sud, un cloître rectangulaire est attenant à la cathédrale. La face ouest, qui se trouve face à la bibliothèque municipale, anciennement le palais épiscopal, est constituée d'un grand portail et de deux flèches de 85 mètres de haut.
A l'intérieur, autour du chœur, le déambulatoire s'ouvre sur 7 chapelles rayonnantes décorées de fresques peintes représentant une voûte céleste.