La catedral actual se construyó durante los siglos XIII a XV sobre la antigua catedral románica, construida a su vez sobre una iglesia de la época visigoda a la que precedió una basílica paleocristiana, cuyos restos pueden verse en el subsuelo, en el Museo de Historia de la Ciudad. La finalización de la imponente fachada en el mismo estilo, sin embargo, es mucho más moderna (siglo XIX). El edificio es Bien de Interés Cultural y, desde el 2 de noviembre de 1929, Monumento Histórico-Artístico Nacional.

Está dedicada a la Santa Cruz desde el año 599 y se añadió a partir del año 877 a Santa Eulalia,​ patrona de la ciudad de Barcelona (actualmente es más celebrada como tal la Virgen de la Merced que, estrictamente, es patrona de la diócesis de Barcelona, pero no de la ciudad), una joven doncella que, de acuerdo con la tradición católica, sufrió el martirio durante la época romana. Una de tales historias cuenta que fue expuesta desnuda en el foro de la ciudad y que milagrosamente, a mitad de primavera, cayó una nevada que cubrió su desnudez. Las enfurecidas autoridades romanas la metieron en un barril con vidrios rotos, clavos y cuchillos clavados en él y lanzaron cuesta abajo el barril (de acuerdo con la tradición, se trataría de la calle Baixada de Santa Eulalia, Cuesta de Santa Eulalia). Y así, hasta trece martirios diferentes, uno por cada año de edad de la santa. Finalmente, fue crucificada en una cruz en forma de aspa, que es el emblema de la catedral y la diócesis, así como el atributo iconográfico de la santa.

La catedral cuenta con un claustro gótico en el que viven trece ocas blancas (se cuenta que Eulalia tenía trece años cuando fue ejecutada y que pastoreaba ocas en su predio de Sarriá, cerca de la ciudad).

Con el resto de tramos de la muralla romana barcelonesa, forma parte de un conjunto catalogado como Bien de Interés Cultural.

En el año 985 el monasterio fue brutalmente atacado por las tropas de Almanzor. Las monjas fueron asesinadas o vendidas como esclavas y el monasterio sufrió graves destrozos. El conde Borrell II se encargó de restaurarlo; la nueva abadesa fue Adalet, pariente del conde.

El monasterio fue creciendo lentamente. A finales del siglo X la comunidad estaba formada por una docena de religiosas. En el siglo siguiente, aumentaron hasta 20, la mayoría de ellas hijas de nobles de la época. Las poderosas familias de las religiosas eran las encargadas de mantener económicamente al cenobio. En el año 1147 se consagró una nueva iglesia, mucho mayor, que englobaba la del monasterio con la antigua iglesia dedicada a San Sadurní.

La comunidad sufrió la exclaustración en 1835 y el monasterio se convirtió en prisión. En 1879, la comunidad de monjas se trasladó a un nuevo emplazamiento en el distrito de Sarriá-San Gervasio en el que todavía residen. En 1873 se desmontó el claustro así como otras dependencias. El monasterio sufrió un incendio en 1909 tras el cual fue reconstruido.

Un nuevo incendio asoló San Pedro de las Puellas durante la Guerra Civil Española, en 1939.

Esta obra pertenece a la etapa orientalista de Gaudí (1883-1888), periodo en que el arquitecto realiza una serie de obras de marcado gusto oriental, inspiradas en el arte del Próximo y Lejano Oriente (India, Persia, Japón), así como en el arte islámico hispánico, principalmente el mudéjar y nazarí. Gaudí emplea con gran profusión la decoración en azulejo cerámico, así como los arcos mitrales, cartelas de ladrillo visto y remates en forma de templete o cúpula.

Actualmente, el palacio permanece cerrado al público, siendo su único inquilino el secretariado de la Unión para el Mediterráneo.​Con anterioridad, el edificio albergó el Museo de Cerámica, el Museo de las Artes Decorativas y el Museo Textil y de la Indumentaria, hasta que fueron trasladados al nuevo Museo del Diseño en 2014.

Ocupa el lugar donde se encontraba el convento capuchino de Santa Madrona, derribado en 1835.

Concebida como neoclasicista a mediados del siglo XIX sobre un tejido destruido de la ciudad, cuenta con la particularidad de que su ritmo clásico se subvierte, cambiando mínimamente los espacios entre pilastras, para dar la impresión de que la plaza es cuadrangular. El arquitecto también tuvo la sutileza de permitir la creación de pasajes para conectar las calles del tejido medieval que habían quedado cortadas por la plaza.

Antoni Gaudí diseñó unas farolas para colocarlas en la plaza, donde destaca igualmente la Fuente de las Tres Gracias (1876), obra de Antoine Durenne.

En 1997 la Unesco incluyó el edificio en su relación del Patrimonio de la Humanidad.

Aloja el Museo del Rock con la colección de Jordi Tardà. El complejo tiene una terraza flotante con una cubierta flexible que forma una plaza con vistas panorámicas.