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Esta catedral primigenia, realizada en estilo gótico de los que hoy apenas tenemos algunas muestras, se perdió tras el incendio y saqueo de la ciudad en 1596, llevado a cabo por tropas angloholandeses dirigidas por el conde de Essex. Inmediatamente se procedió a la construcción de una nueva catedral, hoy iglesia de Santa Cruz.
Será en el siglo XVIII cuando se construya una nueva iglesia catedral, especialmente tras el traslado de la Casa de la Contratación a Cádiz en 1717. Don Lorenzo de Armengual del Pino de la Mota será el encargado de poner la primera piedra de la construcción, el día de Año Nuevo de 1723. Vicente Acero y Arebo será el encargado de las trazas del nuevo edificio, cercano a la vieja catedral.
El proyecto es una muestra de la capacidad creativa del autor, uno de los más relevantes arquitectos del siglo XVIII español. La actual catedral es un resumen de la traza original. Sin embargo, la intervención de Torcuato Cayón en la construcción del edificio añadiría otro nuevo valor a la realización.
Acero se muestra con cierto conservadurismo al invocar un esquema fundamentado en el replanteamiento hecho por Diego de Silóe en la catedral de Granada, empleando una organización basilical de tres naves, crucero y girola, utilizando la capilla mayor como rotonda y colocando tras ella la capilla de las Reliquias. Este toque renacentista sería contrarrestado con el intenso dinamismo que se imprime a la articulación de los alzados. Agrupa las unidades espaciales y las encuadra y separa por un haz de columnas, que a modo de bastidores cumplen la función de un decorado.
Se trata de un edificio religioso de grandes proporciones que se comenzó a construir según proyecto del arquitecto Vicente Acero en 1722. Acero dejó el proyecto en 1739 y se hizo cargo de las obras Gaspar Cayón, pasando en 1757 a su sobrino Torcuato Cayón. Tras su muerte en 1783, le sucede Miguel Olivares hasta 1790, fecha en la que empieza a dirigir la obra Manuel Machuca. Finalmente desde 1832 hasta su finalización las obras las dirige Juan Daura.
En los 116 años que tardó su construcción, se ve el cambio de estilo y los gustos de los distintos arquitectos, lo explica la mezcla de estilos, básicamente tres: barroco, rococó y neoclásico.
Los materiales que se emplearon fueron muy variados debido a las diferentes crisis económicas a las que tuvo que hacer frente la ciudad durante el período de construcción, así se puede observar mármol genovés para los diferentes altares y puertas, piedra caliza y piedra ostionera para los muros exteriores.
Fue el obispo Fray Domingo de Silos quien la bendijo en 1838. A causa del retraso de las obras, muchas partes del templo quedaron expuestas a los rigores del tiempo. Esto y la situación misma del edificio junto al mar ha provocado una enfermedad en la piedra que hace que ésta se vaya desmoronando poco a poco; es por ello por lo que las bóvedas del templo están cubiertas por redes que evitan que los cascotes caigan al suelo.
La portada es una conjunción de formas cóncavas y convexas, característico del estilo barroco. Las torres que se levantan a ambos lados de la portada culminan en forma de observatorio astronómico; es un hecho excepcional que la Catedral de Cádiz posea campanarios de tal altura, puesto que estaba prohíbido por los Borbones la construcción de tales estructuras, al constituir un blanco fácil para el enemigo.
Tiene planta de cruz latina y tres naves, quedando delimitado el espacio por conjuntos de columnas. El altar mayor consiste en un templete de estilo neoclásico dedicado a la Inmaculada Concepción. En todo el perímetro del templo se observan capillas (que en el momento de la construcción estaban dedicadas a albergar los talleres necesarios para la obra del templo) dedicadas a la figura del Ecce Homo (obra de "La Roldana") o a los patronos de la ciudad; San Servando y San Germán, entre otros. Una de éstas capillas alberga la monumental Custodia de plata, obra de Enrique de Arfe, que contiene la Sagrada Forma en la festividad de Corpus Christi. Cabe destacar las dos figuras en mármol de San Pedro y San Pablo que se encuentran junto a la entrada de las dos puertas menores de la catedral. Sobre la puerta principal se encuentran sendas estatuas de los santos patronos de la ciudad de Cádiz, San Servando y San Germán.
Posee varias cúpulas, destacando dos; la cúpula mayor compuesta por un tambor y la propia cúpula se asienta sobre pechinas y en su exterior está cubierta de azulejos dorados que durante el día reflejan los rayos del Sol. Contigua a ésta se encuentra otra cúpula de menores dimensiones, situada sobre el altar mayor. Otra cúpula menor se sitúa sobre una sala dedicada a guardar diferentes reliquias y restos.
Bajo el altar mayor se encuentra la cripta, situada bajo el nivel del mar donde están enterrados personajes ilustres gaditanos como Manuel de Falla y José María Pemán. Un elemento interesante de la catedral es su coro; se sitúa en el centro, ante el altar mayor. Verdaderas obras de arte son la sillería del coro y los dos órganos que posee. La Catedral de Cádiz posee un extenso archivo musical de la antigua Capilla Musical, con obras de compositores como Padilla, García Fajer o Delgado
