El templo construido en la esquina nororiente de la catedral, es de cortas dimensiones, con una portada que da hacia el zócalo labrada en cantera con elementos arquitectónicos muy al estilo del maestro Diego de la Sierra. El Sagrario consta de dos tramos, correspondientes a los de la sacristía, con bóveda de arista que descansa en pilastras. La capilla lateral es de planta cruciforme, con cúpula octogonal sobre tambor en que se abren óculos cuadrados con salientes rectangulares en sus caras. Las soluciones son de arquitectura popular y lo mismo puede decirse de su factura. En el siglo XIX el Sagrario de la Catedral adquirió un bellísimo ornato neoclásico. Para iluminar la antigua sala, el pintor Julián Ordóñez diseñó un retablo de mampostería en el cual figura la última pintura de Zendejas: La oración en el huerto. Temporalmente, figuró en el mismo espacio La adoración de Santiago a la Virgen del Pilar. El altar tiene un magnífico dorado de calamina. Son notables las esculturas de la Virgen del Pilar y la de San José, obra ésta del taller de los Cora.

El sagrario actual de la catedral se acordó edificarlo en 1700 y se terminó de construir en 1724, bajo la dirección del padre Antonio Salas Navarro. El lugar donde se levantó su planta estuvo ocupado durante el siglo XVI por las casas episcopales del tercer obispo de Puebla Martín Sarmiento de Hojacastro y donde después se labraría la sala capitular del venerable cabildo catedralicio. Antes, el sagrario estuvo ubicado en el lugar donde está el "altar del perdón" y en tiempo del obispo Juan de Palafox y Mendoza se planeó construir en el atrio frente a la portaa de la catedral con un amplio claustro que sirviera de pórtico al gran templo, obra que quedó inconclusa. La razón de que la catedral contara con un sagrario era por la necesidad de impartir los sacramentos y servicios espirituales a los habitantes de la traza española como sede no del obispo y su cabildo catedralicio sino como primera parroquia de la ciudad, situación que se resolvía favorablemente teniendo un lugar ex profeso para ello.