La portada del edificio consta de dos plantas generales y una tercera sobre las torres laterales. El eje de simetría contiene el arco de medio punto, flanqueado por columnas estriadas, que da acceso al edificio, la espadaña y el escudo nacional. Las torres ostentan el escudo de armas de la ciudad y están unidas a la espadaña por dos arbotantes. Fue restaurado entre 1986 y 1994 bajo la dirección del arquitecto Andrés Lozano Ferreras. Declarado Bien de Interés Cultural el 2 de julio de 1992

La fachada, de estilo barroco, se organiza a modo de retablo pétreo decorado exuberantemente con cinco escenas de la vida de Cristo y un rosetón con motivos vegetales sobre el que se encuentra el escudo de la monarquía. Queda flanqueada por las dos torres que coronan la seo astorgana, unidas al resto del templo de tal forma que en el interior de la seo forman dos capillas abiertas a la nave lateral. La torre vieja de la catedral data del año 1678, pero fue afectada por el terremoto de Lisboa del año 1775  y no fue totalmente reconstruida hasta el año 1965. La torre nueva, de color rosáceo, fue finalizada en 1708, comenzando las obras en 1698. Sobre una de las torretas que coronan el ábside se encuentra una estatua de Pedro Mato, personaje legendario asociado a la Batalla de Clavijo.

La muralla permaneció intacta después de la última reforma efectuada por el conde Gatón en la repoblación de la ciudad con gentes de la comarca leonesa de El Bierzo hasta el siglo XIX, en gran parte debido a que la ciudad no había sobrepasado el recinto amurallado. En el siglo XIX, la muralla sufrió el envite de las tropas francesas, lo que ocasionó severos destrozos por el uso de artillería. No obstante, lo que causó mayores daños fue el empeño de evitar que Astorga se convirtiese en plaza fuerte, con destrozos tanto de la parte francesa como de la española. La Guerra de la Independencia dejó en la cerca astorgana lugares como La Brecha, una apertura en el muro que se ha convertido en acceso desde el barrio de Puerta de Rey al centro monumental de la ciudad. También en esta época se procede a la demolición casi total de los lienzos norte y sur, así como de numerosos cubos del lado norte y oeste. En 1810 había 9 cubos en el lienzo norte y 19 en el oeste. Hoy sólo quedan 8 cubos en el lienzo oeste. Igualmente se destruyeron las puertas del Obispo y de Hierro y el gran cubo del mirador.

Construido en granito gris procedente de la comarca leonesa del Bierzo, el edificio tiene una fachada que presenta cuatro torres cilíndricas, y está rodeada de un foso. El pórtico tiene tres grandes arcos abocinados, hechos con sillares separados entre sí por contrafuertes inclinados; Gaudí había proyectado coronar la fachada con un ángel de cinco metros de altura, que finalmente no se llevó a cabo.[30] La parte posterior presenta un ábside en la capilla, rodeado de tres pequeños absidiolos. La planta baja contiene un gran vestíbulo, del que parte la escalera noble, adquiriendo una gran altura que permite la apertura de grandes ventanas, de forma triangular, que proporcionan una gran luminosidad; este esquema recuerda un poco al utilizado en el Palacio Güell.La estructura del edificio se sustenta en pilares con capiteles decorados y en bóvedas de crucería sobre arcos ojivales de cerámica vidriada. Se remata con un almenado de estilo mudéjar.

En 1893, tras la muerte del obispo Grau, Gaudí dimitió por desavenencias con el Cabildo, estando las obras paradas durante varios años. Finalmente, fue terminado entre 1907 y 1915 por el arquitecto Ricardo García Guereta.Durante la Guerra Civil sirvió de cuartel de la Falange. En 1956, el obispo Julià Castelltort inició la restauración para convertir el edificio en residencia del obispo, función inicial que nunca llegó a consumarse; fallecido al poco tiempo, el nuevo obispo, Marcelo González Martín, renunció finalmente a la función episcopal y promovió la conversión a lo que es el palacio, el Museo de los Caminos, dedicado, entre otros temas, al Camino de Santiago.