El edificio más emblemático de la ciudad es la Catedral de Santa María, sede de la diócesis de Cartagena que se encuentra en pleno casco antiguo, en la Plaza de Belluga. Comenzó a construirse sobre la antigua mezquita mayor o aljama en el siglo XIV, y se consagró en 1467, aunque diversas partes fueron añadidas o reformadas hasta finales del siglo XVIII, cuando se terminó su famosa torre. Por este motivo presenta diferentes estilos arquitectónicos, especialmente gótico, renacentista y barroco.
Su ornamentada fachada principal (1737-1754), proyectada como un retablo al aire libre, es considerada a menudo una obra maestra del barroco levantino español. Destaca también su alto campanario, de 93 metros (98 con la veleta) siendo el segundo más alto de las catedrales de España tras la Giralda de Sevilla y dotado de veinte campanas que antaño también anunciaban las terribles avenidas del río Segura. Éste muestra una mezcla de estilos arquitectónicos: los dos primeros cuerpos son de estilo renacentista (1521-1555), el tercer cuerpo es barroco y el cuerpo del campanario y la cúpula son de influencias rococó y neoclásicas.
El interior del templo es mayoritariamente gótico. Destacan la Capilla de los Vélez y la Capilla de Junterones de un total de veintitrés. La primera es de estilo gótico flamígero, con una impresionante cúpula estrellada de diez puntas, y la otra es una de las grandes obras del renacimiento español. La capilla de los Vélez sobresale por el exterior de la catedral, destacando la cadena esculpida que la rodea y sobre la que pesa una famosa leyenda. En la capilla mayor se encuentra el sepulcro con el corazón y las entrañas de Alfonso X el Sabio.
La Catedral cuenta con un renovado museo (Museo de la Catedral de Murcia) en el edificio que antaño fuera el claustro y en el que se exhibe el tesoro catedralicio.