La catedral, "La Bella Desconocida" como se la conoce popularmente por la calidad y cantidad de tesoros que guarda en su interior, esta declarada Monumento Nacional desde 1929. Fue comenzada a construir a principios del siglo XIV, terminando las obras dos siglos más tarde. Sustituyó a un templo románico anterior de tres naves, edificado, a su vez, sobre una cripta visigótica.
Interiormente presenta tres naves de similar anchura, un doble crucero y una girola con cinco capillas raciales. Una escalera plateresca da acceso a la Cripta de San Antolín, situada bajo el coro, formada por dos recintos, el más antiguo de la segunda mitad del siglo VII con elementos hispanovisigodos y el más reciente con elementos románicos de primeros del XI.
Cinco puertas se abren al exterior del templo. En la fachada Sur se encuentran las de Santa María o "del Obispo" y de San Salvador o de "Los Novios". Al Norte se abren las de San Juan o "de los Reyes" y la de los "canónigos" o "del hospital". La última puerta, de época reciente, se sitúa a los pies del templo.
El claustro se encuentra adosado a la fachada Sur, en la que también se levanta, entre las dos puertas antes mencionadas, la torre de la catedral de aspecto robusto y 30 metros de altura.
La Iglesia de San Miguel es una construcción gótica de finales del siglo XII y principios del XIII, en la que destaca su torre, que tuvo carácter defensivo durante la Edad Media.
El convento de San Francisco, del siglo XIII, fue sede de Cortes Generales y residencia de reyes. También hubo Cortes en el convento de San Pablo fundado por Santo Domingo de Guzmán en el siglo XIII, aunque el edificio actual es de los siglos XIV y XV.
El Monasterio de Las Claras, templo gótico con una magnífica portada, fue construido a finales del siglo XIV por los almirantes de Castilla para panteón familiar. En su interior se conserva el impresionante Cristo Yacente de la Buena Muerte. Cercano a él se encuentra la Iglesia de San Lázaro, inicialmente hospital de leprosos fundado en el siglo XI por el cabildo, si bien el edificio actual se levanta entre los siglos XIV y XV.
De la Iglesia de San Bernardo sólo se conserva la fachada plateresca. Formó parte del convento de Carmelitas Descalzas fundado a finales del XVI. En su interior se veneró a la patrona de la ciudad hasta que fue trasladada a la Iglesia de Nuestra Señora de la Calle, conocida popularmente como de "La Compañía", por haber sido levantada por los Jesuitas en 1584.
Si hay un monumento que represente a la ciudad, este es sin duda el Cristo del Otero, un monumental Corazón de Jesús de 20 metros de altura situado sobre un cerro de 850, construido en 1931 por el artista palentino Victorio Macho.
Dentro de la arquitectura civil destaca la Calle Mayor, con su casi kilómetro de longitud y soportales en uno de sus lados, es el eje comercial y social de la ciudad. En ella se encuentra el antiguo Convento de las Agustinas Canónigas, en la actualidad oficinas municipales. Más adelante la Casa Junco, edificio barroco del XVIII, y en la acera opuesta el Colegio de Villandrando, con un precioso friso de cerámica vidriada.
El edificio del Ayuntamiento se encuentra junto a la Calle Mayor, y frente a él la Plaza Mayor, también con soportales en sus tres laterales. Desde esta plaza se accede al mercado de Abastos, construido en 1898 de hierro y cristal. Junto al mismo se levanta el Palacio de la Diputación, obra de Jerónimo Arroyo, inaugurado en 1914, y el Teatro Principal, construido en el siglo XIX.
Como edificios civiles más antiguos se conservan el Hospital de San Bernabé del siglo XI, construido por el cabildo frente a la catedral, y la Casa del Cordón del XVI, actualmente sede del Museo de Palencia.
Destacar también los tres puentes que hasta hace pocos años permitían cruzar el río Carrión desde la ciudad: el Puentecillas, el Puente Mayor, junto al que se encuentra la dársena del Canal de Castilla; y el de Abilio Calderón, conocido popularmente como el Puente de Hierro.
Palencia es una de las capitales de España que dispone de más superficie de zonas verdes. Así destacan los parques del Salón de Isabel II, los Jardinillos, la Huerta de Guadián, las Huertas del Obispo, las Eras de Santa Marina, el Sotillo de los Canónigos, el parque Dos Aguas y, cercano a la capital, el monte El Viejo.