Decía el arquitecto Demetrio de los Ríos, refiriéndose a la restauración de la Catedral de León, que "si no se ha erigido una Catedral nueva, no hay parte de la nuestra que no se haya retocado poco o mucho, y algunas partes de ella muy principales resultan completamente repuestas". Estas palabras testimonian la intensidad y magnitud que alcanzaron las obras de restauración durante este intenso y agitado período de vida del Templo mayor leonés. Las restauraciones se extendieron por toda la superficie del edificio buscando devolver el templo a la pureza con que fue ideado por sus constructores originarios del siglo XIII. La Catedral de León, a través de la restauración, trató de recuperar la "idea" original de sus primeros constructores.

El "primitivo esplendor" de la construcción gótica renació, pero para ello se eliminaron en ocasiones importantes adiciones que la Catedral de León había incorporado en las épocas renacentista y barroca. Así ocurrió con las fachadas meridional y occidental del edificio.

El brazo sur de la Catedral de León había sido una de las zonas del edificio más dañadas por los efectos de aplastamiento ejercidos por la cúpula barroca. A finales del siglo XVII, el maestro Manuel Conde Martínez desmontó la fachada sur hasta la línea superior del pórtico. Para su reconstrucción presentó dos trazas al Cabildo catedralicio en 1694. El diseño escogido y ejecutado consistió en una espadaña barroca, a modo de ático, con dos templetes laterales y arco semicircular central, todo ello profusamente decorado. Después del terremoto de Lisboa de 1755, cuyos efectos se sintieron también en León, se decidió macizar la galería del triforio y sustituir el rosetón meridional por un par de ventanas gemelas de perfil apuntado. Esta fachada, acompañada de su pórtico y de todo el brazo sur del crucero, fue desmontada por Matías Laviña, operación que se consumada en los últimos meses de 1862. A partir de entonces, se pensó en la reconstrucción de este brazo meridonal.

El propio Matías Laviña presentó un proyecto que fue rechazado por la Academia de San Fernando. La institución académica consideró que el proyecto de Matías Laviña presentaba en la parte superior un remate en forma de arcada a modo de galería abierta en la parte superior que no se acomodaba con el estilo general de la Catedral de León: esta galería ornamentada no seguía las formas severas y sobrias que rigen en el templo leonés y remitía a un estilo gótico florido y galano, más propio de la etapa final de este estilo medieval, que del momento de rigor clasicista al que corresponde la construcción inicial de la Catedral de León.

El proyecto finalmente aceptado para la reconstrucción del hastial meridional de la Catedral de León fue el diseñado por Juan de Madrazo en 1879. Madrazo, después de un detenido estudio, resolvió la parte superior de la fachada con un piñón o gablete en forma de triángulo equilátero, adornado con crochets y coronado en su vértice con la estatua de San Froilán, patrono de la ciudad. La parte central de este piñón triangular fue horadada con una roseta que posteriormente fue sustituida por Luis Menéndez Pidal por la actual tracería calada. Este diseño de Juan de Madrazo sigue las pautas generales del análogo hastial septentrional e interpreta y recrea con precisión erudita y científica el estilo gótico-clásico imperante en la Catedral de León, al tiempo que se ensambla con precisión en el organismo constructivo del edificio.

Más polémica fue la reconstrucción de la fachada principal de la Catedral: para levantar el actual hastial "neogótico" fue preciso desmontar el remate plateresco que había sido erigido en el siglo XVI Juan de Badajoz. Este vistoso elemento renacentista de coronación se alzaba sobre un gran relieve escultórico de la Anunciación; sobre este relieve se erigió el cuerpo de remate, compuesto por un ático flanqueado por columnas jónicas, una rosa calada y un frontón agudo; las torrecillas del hastial remataban en dos templetes exagonales sostenidos por pilares y coronados con agujas cónicas; rodeando este puntiagudos chapiteles suben en grácil movimiento helicoidal molduras ornamentadas con bichas y seres fantásticos ideados por el maestro Badajoz.

Demetrio de los Ríos demostró la inestabilidad del hastial occidental, que según sus palabras presentaba un "estado decrépito": "toda esta máquina ?decía Demetrio de los Ríos? es azotada por los ciclones, obligada a fatal cabeceo y está echada sobre la antigua construcción que se muele por momentos, abriéndose en rajas oblicuas y verticales, estas últimas de hasta veinte hiladas, y calando todas las delgadas paredes de las pilas, rompiéndose el formero por uno de sus hombros y cayendo incesantemente en menudos detritus la deshecha piedra del triforio, rosa, enjutas y torrecillas, hasta entapizar cien y cien veces la terraza, donde tal arena cruje de continuo bajo nuestros pies y dando, en fin, otras muchas señales de ruina, que sorprende no se haya venido la susodicha máquina al suelo". La Academia de San Fernando finalmente se rindió ante los elocuentes argumentos presentados por Demetrio de los Ríos y aprobó el desmonte y reconstrucción de este hastial occidental.

La construcción del colosal andamio y el desmonte del hastial se realizó con gran rapidez por Demetrio de los Ríos, que consumó todas estas operaciones en apenas seis meses, desde agosto de 1888 hasta enero de 1889. Este sistema de carpinterías, que alcazó una altura de casi cincuenta y cuatro metros, era, como señalaba el arquitecto, "el más elevado de cuantos se han erigido en el templo y uno de los mayores de cuantos en nuestros días se han acometido o acometen". El desmonte del hastial fue una impresionante operación que apeó desde una altura sobrecogedora pesados y voluminosos cuerpos.

Demetrio de los Ríos reconstruyó el hastial principal de la Catedral de León a partir de un diseño análogo al que se había empleado años antes en la fachada meridional. Remató los extremos con torrecillas o pináculos decorados con el más puro repertorio gótico de gabletes, bichas, pirámides y crochets. El piñón central aparece decorado con una hornacina en la que se representa el Misterio de la Anunciación y corona el vértice superior la figura del Salvador. Otros seres fantásticos, como los buhos y los monstruos de las gárgolas, enriquecieron el diseño arquitectónico de esta fachada principal de la Catedral de León.

Además de la reconstrucción de los hastiales meridional y occidental, la restauración se extendió durante dos décadas por todos los lienzos de muros y ventanales del exterior de la Catedral. Juan de Madrazo procedió a reconstruir el brazo meridional del crucero a partir de 1882. En su proyecto de este año ofreció un modelo de reconstrucción de las ventanas altas que, posteriormente, se extendió a lo largo de todo el perímetro del edificio.

En las ventanas superiores, se desmontaron sus vidrieras y se renovó su sutil y fina tracería, que en varios puntos se encontraba muy deteriorada. Un elemento destacado de este diseño son los gabletes que corren por encima de todas las ventanas de la Catedral de León; anteriormente a la restauración, existieron en su lugar unos simples arcos de descarga; según afirmó Demetrio de los Ríos, se encontraron vestigos de estos gabletes en un ángulo del edificio, en el arranque de una de las ventanas, hallazgo que justificó su aplicación a todo el edificio. En las enjutas de los ventanales, se propuso una decoración de rosas ciegas: en este caso, la Catedral no ofrecía vestigio alguno de la existencia anterior de este elemento, de manera que Juan de Madrazo las incorporó de modelos tomados de las catedrales francesas que estudió con detenimiento. La cornisa, con tres hiladas de cantería, fue también un elemento añadido: para su construcción hubo que desmontar la cornisa que había dispuesto el maestro Baltasar Gutiérrez a comienzos del siglo XVII. La cornisa neogótica de Madrazo y de los Ríos consiste en una media caña decorada con motivos de hojas intercaladas rematada por un escamado que sirve de corona. El antepecho superior aplica el motivo de las rosas caladas de cuatro lóbulos, adaptado al carácter general del templo. El conjunto exterior de la Catedral se remató con pináculos que coronan la parte superior y elevan sus puntas en secuencias rítmicas a lo largo de todo el edificio.
Este diseño "neogótico" fue extendido por Demetrio de los Ríos desde el brazo sur del crucero hacia las naves altas, el presbiterio y el ábside catedralicio, dotando de unidad a la fisonomía exterior del edificio. En una fotografía antigua del costado meridional puede observarse el adelanto de los trabajos. Como el arquitecto afirmaba, tras la restauración, "en todo el perímetro reina y se sostiene con perfecta unidad la misma composición". Los elementos figurativos, como gárgolas y estatuas, monstruos y seres celestiales, volvieron poblar el universo catedralicio.

Además de estos elementos decorativos, fueron muchos los elementos estructurales reparados y reforzados, como los pilares interiores, los botareles o estribos exteriores, los arbotantes y las torres de "la Limona" y "la Silla de la Reina", torres estribo que reciben los empujes de los arbotantes angulares. Algunos de los arbotantes fueron desmontados piedra a piedra, para repararlos y volverlos a colocar en buenas condiciones de estabilidad. En el interior, el sistema de apoyos de la Catedral fue repasado en su totalidad: en pilares y muros se restituyeron millares de sillares que se encontraban descompuestos o deteriorados, mostrando un deplorable estado terroso, prácticamente reducidos a polvo. Las intervenciones en pilas y muros variaron en intensidad, alcanzando en ocasiones la total reedificación de pilares enteros desmontados, aunque la operación más frecuente fue la sustitución de aquellos sillares que se encontraban seriamente dañados por otros de nueva labra o bien la consolidación del núcleo interior de mampostería del pilar o muro.

Las restauraciones se extendieron en la última fase de la intervención a elementos decorativos del interior de la Catedral, reparándose el pavimento, la sillería del coro, las verjas, las puertas y cancelas y los sepulcros. También se desmontó el magnífico retablo barroco de Tomé Gavilán y se colocó en su lugar uno de nueva factura realizado a través de la composición con tablas bajomedievales procedentes de la Diócesis leonesa.

Pero la reposición, reparación y restauración de la inmensa superficie de vidrieras de la Catedral de León fue el capítulo culminante y uno de los más brillantes de este intenso proceso de restauración experimentado por el edificio. Al iniciarse la restauración, las vidrieras fueron desmontadas y almacenadas en la torre norte. Fue el arquitecto Juan Bautista Lázaro de Diego quien, con infinita paciencia, encomiable conocimiento técnico y elevada sensibilidad artística, abordó la imponente tarea de reponer los vidrios en sus bastidores, reparar los deteriorados y hacer nuevas vidrieras para los huecos que carecían de ellas. Toda esta inmensa labor se realizó en un taller formado en León; ello suponía iniciar una empresa "no acometida hasta ahora en España", como reconocía el propio arquitecto. Su meticuloso trabajo fue reconocido en la Exposición Nacional de Bellas Artes del año 1897. Juan Bautista Lázaro recibió entonces la medalla de primera clase y, posteriormente, fue honrado con la Gran Cruz de Isabel la Católica. La prensa y la crítica nacional repitió abundantemente los elogios por esta verdadera "resurrección" de un arte olvidado en España.

Tras este largo, complejo y, en ocasiones, traumático proceso de restauración, la Catedral de León fue devuelta al culto en el año 1901. Este acontecimiento fue muy celebrado por la población leonesa y seguido con expectación en el resto de España. El siglo XIX había dejado un importante testimonio de la conciliación de la razón y la fe para "devolver de nuevo el ser" a uno de los monumentos más importantes y significativos de nuestra patria. La idea romántica de recuperar la Catedral ideal, con toda su magnificencia y grandeza, alentó esta apasionada búsqueda del paradigma gótico. Se trató de recuperar no sólo la belleza de formas de un edificio o la perfección de su sistema constructivo, sino también de revitalizar la fuerza de su mensaje cristiano. La Catedral gótica no sólo es la perfecta y lógica combinación de nervios, arbotantes y contrafuertes, sino que también es un espacio poético y místico, lugar de la Presencia Sacramental de Cristo y de la revelación de su Cuerpo Místico. La Catedral de León es apreciada mundialmente porque combina en perfecto equilibrio la razón temporal, la voluntad humana por vencer a la materia y capturar la luz, con el símbolo cristiano y el misterio religioso; es la fructífera dialéctica entre fe transcendente y lógica humana, es el acuerdo entre imaginación y razón, entre el sentimiento y la reflexión. Arquitectos y artesanos, obispos y fieles desplegaron durante el siglo XIX las alas de la imaginación y soñaron con el resurgimiento del edificio gótico, con el regreso ideal de una nueva "era de las catedrales". Pero esta visión deslumbrante se apoyó en el rigor del razonamiento, pues el discurso racional, el estudio erudito y la investigación histórica proporcionaron argumentos para apoyar el sueño espiritual, la visión mística, el símbolo cristiano, en suma, el "sueño de la razón".