La basílica se levanta en la parte más alta y antigua del núcleo urbano, en el lugar de la acrópolis religiosa y administrativa romana que ocuparon el templo y el foro provincial; allí, el limitado espacio disponible determinó la insólita ubicación del claustro entre la cabecera y el brazo norte del crucero. No obstante, habrían de transcurrir cincuenta años desde la conquista cristiana de Tarragona, a principios del siglo XII, hasta el comienzo de las obras.
Aunque en la carta de donación que, en 1118, Ramón Berenguer III entrega al arzobispo Olaguer encomendándole la repoblación de la ciudad se menciona una iglesia catedralicia, hacía poco consagrada a Santa Tecla, es muy posible que se tratase de un edificio anterior adaptado a las nuevas necesidades. El rápido crecimiento de la urbe determinó que, algún tiempo después, el prelado Bernardo de Ort (1146-1163) fijara su residencia estable en Tarragona e instaurase en 1154 una comunidad de canónigos bajo la Regla de San Agustín cuyas dependencias se encontraban al sur del claustro actual. Desde 1167 se suceden diversas mandas testamentarias con destino a la nueva fábrica.
El propio arzobispo Hugo de Cervelló (1163-1171) lega una cantidad anual ad opus ecclesiae incipiendum, indicio de que en 1171 las obras apenas habían comenzado; a partir de esa fecha reciben el firme apoyo de prelados y miembros de la corona. Con todo, los trabajos avanzan con lentitud hasta que, en el episcopado de Ramón de Rocaberti (1198-1215), se incrementa la actividad constructiva; entonces se modifica el proyecto original, a juzgar por el dato contenido en una donación del monarca Pedro el Católico de 1212 per a que la fabrica de la iglesia se anave fent, se anés perfeccionant. Para algunos especialistas, este nuevo diseño contemplaba la ampliación del transepto con la apertura de un segundo absidiolo, según el esquema ensayado en la catedral de Lérida y en la colegiata de Tudela.
El análisis arquitectónico del templo corrobora este escalonamiento cronológico y evidencia los diversos replanteos que se produjeron durante su edificación. A un primer momento corresponde la cabecera con tres ábsides, estructurados en amplio tramo recto y hemiciclo, y el espacioso crucero de brazos asimétricos por la disposición del claustro en el ala norte del mismo ante la necesidad de acomodarse a la orografía del terreno; en esta campaña se reaprovechan restos romanos, algunos todavía visibles.
En un impulso constructivo posterior se levantan las tres naves de cinco tramos donde, como soportes, se emplean pilares cruciformes con pares de columnas adosadas en los frentes que recogen los arcos fajones y perpiaños, mientras que los nervios moldurados de las bóvedas de crucería que las cubren descansan sobre fustes acodillados. Una vez concluido el templo tarraconense, las similitudes que ofrece con la colegiata de Tudela y, en especial, con la catedral de Sigüenza son numerosas.
Aunque la nave central (la más esbelta de la arquitectura catalana hasta entonces) por sus proporciones puede considerarse gótica, la organización volumétrica y la planta del edificio son propias, a juicio de X. Barral, del mundo románico.
El propio alzado de la cabecera, muy monumental, manifiesta esta singular simbiosis entre tradición y vanguardia. El amplio presbiterio abre paso a un espacio cubierto con una bóveda de horno ligeramente apuntada, de clara raigambre románica, que contrasta con el excepcional número de ventanas abiertas en sus muros (tres en el hemiciclo y siete muy estrechas en el casquete absidial). Al exterior, el aspecto severo de la cabecera denota con claridad su carácter defensivo ante el peligro de eventuales incursiones musulmanas; idéntica finalidad tenían el camino de ronda y los matacanes que la rematan.
La lentitud de las obras determinó la conclusión de la fábrica catedralicia en la plenitud del gótico, si bien el claustro responde a un único impulso constructivo todavía en época románica. Posterior, de mediados del siglo XIII y atribuido al maestro Bernardo, es el luminoso cimborrio octogonal con refuerzo de arcos muy gruesos de sección cuadrangular que corona el crucero; sus pilares evidencian el replanteo del diseño inicial de las cubiertas.
Por lo que respecta a la escultura del interior del templo, Camps i Soria sostiene que las cornisas, capiteles y abacos corresponden a un taller formado en la cantería del claustro gerundense, activo en torno a 1190. Por su parte, Barral considera que los capiteles, dado su estilo, se emparentan con la plástica tolosana. En ellos predominan los motivos vegetales con tallos perlados y palmetas, aunque también abundan las cabezas de leones y águilas, así como las luchas de guerreros contra monstruos y las escenas juglarescas. Mas ocasionales son los temas religiosos (Adán y Eva en el Edén y Caín y Abel).
En 1331 la catedral se consagra definitivamente. La decoración de la fachada se concluye en 1375 y a lo largo de los siglos XVI, XVII y XVIII, se añaden numerosas capillas; la última de ellas se dedicó a Santa Tecla.
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