Entre 1903 i 1915 Gaudí va treballar en la reforma de la catedral gòtica de Palma de Mallorca. L’edifici presentava alguns danys a la façana ocasionats per un terratrèmol, el que sumat a problemes funcionals com la situació del cor al centre de la nau i l’estat inacabat de diverses vidrieres que estaven encegades en va donar impuls a l’iniciativa del bisbe Pere Campins.
Quan aquest va visitar Gaudí es va sentir vivament impressionat per les seves idees d’acord amb la reforma litúrgica, molt avançades per l’època, que coneixia a través de les seves amistats religioses, especialment el bisbe Grau, per a qui va construir l’altar de la capella de l’escola de Jesús-Maria de Tarragona (1880-1884) i el Palau Episcopal d’Astorga (1887-1893). Campins era una figura alineada amb una nova concepció de l’església, més oberta a la societat d’acord amb els temps que corrien. Va treballar en la conservació del patrimoni i va ser promotor de la creació de museus eclesiàstics. El 7 de març de 1902 el capítol catedralici va encarregar a Gaudí la restauració litúrgica de la Catedral.
El projecte va ser redactat en 1903 després de diverses visites a Palma. Incloïa el trasllat del cor gòtic al presbiteri amb l’objecte d’alliberar per als fidels l’espai de la nau central i així adaptar-lo a les noves formes litúrgiques, i retirar els dos retaules majors, el gòtic i el barroc, quedant a la vista la càtedra episcopal del segle XIII. Gaudí va fer una maqueta de fusta del projecte, no conservada.
Les parets del presbiteri van ser decorades amb peces ceràmiques policromades amb els escuts dels bisbes de Mallorca i representacions de branques d’olivera component figures hexagonals. 7 llums votives sobre la càtedra representen els esperits davant el tron de Déu esmentats en l’Apocalipsi. Per la millora de les condicions d’il·luminació interior es va projectar l’obertura de les vidrieres que estaven tancades amb maçoneria, i es va traslladar l’altar major a una posició més avançada per a donar lloc al cadirat del cor. Va ser suspès de la volta un baldaquí de 7 cares amb un gran crucifix i llums penjants abarrocades. Van completar aquest conjunt artefactes d’il·luminació, unes elaborades baranes formades per cadenes i peces de forja amb els escuts de Mallorca i Aragó i divers mobiliari litúrgic de ferro i fusta. A l’avançar l’altar van ser resituats les trones renaixentistes. Gaudí va projectar tornaveus sobre ells, dels quals només un va arribar a construir-se.
El conjunt de les vidrieres del presbiteri havia de representar les invocacions «Regina» de la lletania lauretiana. Com és sabut, el sistema de formació dels colors que Gaudí va aplicar va ser la tricromia amb tres vidres superposats, concepte profundament naturalista que fa de la pròpia llum solar l’agent formador dels tons. En el disseny van col·laborar els artistes Ivo Pascual, Jaume Llongueras i Joaquín Torres García.
La capella de la Trinitat situada a la capçalera, fins llavors tapada pels dos retaules, va ser oberta per ubicar-hi les tombes dels reis mallorquins Jaume II i Jaume III. La proposta que incloïa la construcció dels sarcòfags sota els arcs laterals de la capella amb elaborada decoració va quedar sense completar-se. És coneguda per les maquetes, un dibuix de Gaudí conservat i altres realitzats pel seu successor en les obres. Anys més tard es van executar les tombes amb un nou projecte i escultures jacents de Frederic Marès. Les idees de caràcter històric-patriòtic estaven en la ment de Gaudí des de la proposta de restauració del Monestir de Poblet, elaborada amb dos amics en la seva joventut en què, com ho faria a Mallorca, proposava un homenatge als reis allí soterrats.
Es preveia presidir la capella amb un conjunt escultòric simbòlic compost pel colom de l’Esperit Sant, i a banda i banda el Pare i el Fill. Es col·locaria en el centre l’imatge de la Mare de Déu recuperada del retaule gòtic. El baldaquí penjant que es va disposar sobre l’altar major té una inclinació que permet que des de l’entrada es tingui la visió de la Verge i la Trinitat emmarcats per aquest element simbòlic que representa els 7 dons de l’Esperit Sant. A l’exterior es preveia la reforma de les cobertes de la catedral on es construirien pinacles i un campanar. Per a aquesta obra Gaudí va comptar amb la col·laboració de Joan Rubió. En els aspectes decoratius va tenir important participació el llavors jove arquitecte Josep Maria Jujol, especialment en la decoració de l’absis on la llibertat creativa que li va atorgar Gaudí va provocar alguns frecs amb els canonges.
D’aquest ambiciós programa una gran part va arribar a concretar-se en 12 anys de treball fins que Gaudí va tenir en 1914 diferències amb els constructors i alguns membres del capítol. Després de la defunció l’any següent del bisbe Campins va deixar definitivament l’obra i va quedar a càrrec Rubió fins que va ser designat un nou arquitecte. Van quedar pendents d’acabar 6 de les 9 vidrieres projectades, part del mobiliari, les cobertes i les tombes reials.
Sabem per testimonis que Gaudí va ser un àvid lector de Viollet-le-Duc, arquitecte restaurador de gran influència. El projecte de Mallorca s’emmarca en el corrent romàntic d’intervenció en les catedrals inacabades estesa durant el segle XIX, entre els més notables exemples del qual hi ha les de Colònia, Florència o Barcelona. Però va anar molt més enllà d’una reinterpretació de les formes de la època ja que constitueix una aplicació de conceptes de reforma litúrgica.
Gaudí va realitzar a més alguns treballs menors durant les seves estades a l’illa, com les reformes a la galeria de la façana sud del palau episcopal de Palma, de les que poden apreciar-se un pinacle i merlets de pedra, algunes reixes i un vitrall a la capella privada. També se li atribueix el disseny del paviment de l’església de Nostra Senyora dels Àngels a Pollença, que li hauria encomanat Ramon Picó Campamar, el secretari d’Eusebi Güell qui era oriünd d’aquesta localitat. S’ha suggerit que seria l’autor de la casa «Vila Alegre», ja desapareguda, propietat d’un amic de Güell, de marcada inspiració en les formes del Park Güell, i s’afirma la seva participació com a assessor de Joan Rubió a les reformes al monestir de Lluch.
En qualsevol cas, la seva gran obra a Mallorca va ser la restauració de la Catedral, projecte lamentablement no portat a la pràctica en la seva totalitat, que va unir tècnica, coneixements històrics, sensibilitat, habilitat per al reciclatge i domini de l’art religiós i la litúrgia.