El conjunto catedralicio de Vitoria se encuentra enclavado en la parte más alta del promontorio en que se asentó la primitiva Gasteiz que da origen a la ciudad, y dentro del espacio delimitado por su primer recinto amurallado. Es el extremo norte de un pequeño cerro alargado de dirección norte sur, elevado unos veinte metros de la Llanada alavesa que lo circunda. El solar de la Catedral acusa en su interior parte de ese fuerte desnivel, pues su zona sur y oeste, hacia la ciudad vieja en la planicie superior, está elevada unos nueve metros respecto a la nordeste, a media altura de la ladera.
Esta condición orográfica e histórica hace que el subsuelo del edificio albergue un gran volumen de rellenos de tierras aportadas artificialmente para regularizar el piso del interior del edificio, además de producir una gran diferencia de altura en la construcción de los cerramientos de sus distintos lados.
La observación de los planos de restitución de la evolución histórica del núcleo más antiguo nos permite observar el acomodo de la Catedral formando parte de la propia muralla medieval, lo que justifica tanto la apariencia maciza que sus muros, otrora ciegos en el lado norte, tenían, como la existencia del paso de ronda de esa muralla a través de toda la estructura del edificio, desde el extremo sur de su crucero hasta la esquina noroeste de su pórtico, circundando toda la girola, el transepto y la nave norte de la iglesia.
Hoy, sin embargo, el aspecto defensivo que tuvo se ha perdido en gran parte debido a la construcción de edificios de viviendas y servicios de la propia Catedral en su flanco este, donde el enorme desnivel entre el paso de ronda y el terreno natural -unos doce metros- daría un aspecto imponente al exterior de la girola, similar al que sí tiene el testero norte del crucero. La Catedral, en efecto, forma parte de una manzana de construcciones de distinto uso que enmascaran sus volúmenes, lo que, junto a la falta de una verdadera "fachada", hace que la Catedral carezca de la nítida imagen de "monumento" que suele esperarse de los edificios religiosos singulares.
La evolución de la ciudad ha dejado por fin un espacio libre en el ángulo suroccidental del conjunto, la plaza de Santa María, desde la que se accede al interior a una cota de suelo ligeramente más baja. En los lados oeste y norte, la calle de Fray Zacarías Martínez y el cantón de Santa María salvan el desnivel entre la plaza y la calle de Cuchillería circundando las fachadas oeste y norte respectivamente. Esta última calle sigue la curva de nivel a media ladera del cerro, bajo lo que fue la muralla oriental de la ciudad, y a ella dan fachada los edificios adosados tardíamente.