Luego de la conquista española del imperio azteca, y tras el regreso de Hernán Cortés de la exploración de la actual Honduras, los conquistadores decidieron construir una iglesia en el lugar en el que se encontraba el Templo mayor de la ciudad azteca de Tenochtitlán para, de este modo, consolidar el poder español sobre el territorio recién conquistado. Hay constancia de la existencia de un gran templo mayor dedicado al dios Quetzalcóatl, un templo dedicado al dios Huitzilopochtli y otras edificaciones menores. El arquitecto Martín de Sepúlveda fue el primer director del proyecto entre 1524 y 1532, mientras que Juan de Zumárraga fue el primer obispo de la sede episcopal en el Nuevo Mundo. La catedral de Zumárraga se encontraba en la parte noreste de lo la que es la actual catedral. Tenía tres naves separadas por columnas toscanas, el techo central presentaba intrincados grabados realizados por Juan Salcedo Espinosa y dorado por Francisco de Zumaya y Andrés de la Concha. La puerta principal era probablemente de estilo renacentista. El coro tenía 48 sitiales realizados a mano por Adrián Suster y Juan Montaño en madera de ayacahuite. Para la construcción, utilizaron las piedras del destruido templo del dios Huitzilopochtli, dios de la guerra y deidad principal de los aztecas. A pesar de todo, este templo pronto fue considerado insuficiente para la creciente importancia de la capital del virreinato de Nueva España. Esta primera iglesia fue elevada a catedral por el rey Carlos I de España y el papa Clemente VII según la bula del 9 de septiembre de 1534 y, posteriormente, nombrada metropolitana por Paulo III en 1547.