Matemático, geométra (escribió un tratado sobre la figura cúbica) y soldado. Estuvo en Italia, Baja Alemania y Flandes. Su biblioteca era densa y políglota, predominando los temas matemáticos y los elementos de geometría y astronomía (realiza dibujos para las láminas del libro de astronomía de Alfonso X el Sabio) así como la mecánica. Se sabe que llevó a cabo inventos como grúas, cortadores de hierro etc. y acabó fundando con apoyo regio la Academia de Matemáticas de Madrid.

Como arquitecto se inició a las órdenes de Juan Bautista de Toledo en El Escorial (1563) y le sustituyó a su muerte. Levantó la fachada principal del monasterio, la descomunal iglesia y el templete del patio de los Evanvelistas. Como colofón a la obra, él y Perret dieron a la imprenta las estampas y sumerio de San Lorenzo el Real. Herrera fue un revolucionario de la arquitectura española; de firme formacion serliana y vignolesca y rodeado por arquitectos excepcionales, hizo progresar la arquitectura del Renacimiento al Clasicismo; con él desapareció la escultura de los paramentos arquitectónicos y las masas y los volúmenes adquirieron toda su potencia estética en el abstracto clasicismo. Liqiuda la crucería y el arco apuntado, implantando el arco de medio punto, la bóveda de medio cañón, el luneto, las pilastras y los órdenes según cánones clásicos; populariza el vano termal pero rechaza la cúpula y la convierte o bien en ciega o la extradosa en cimborrio cuadrado. Es además uno de los introductores,con Gaspar de la Vega, de las cubriciones nórdicas con pizarras y chapiteles y decoración de placas y bolas.

De su mano es el proyecto de la Catedral de Valladolid, inconclusa, de planta de salón y torres en las cuatro esquinas; es una estructura simétrica con el crucero en el centro y en ella las soluciones escurialensas se siguen y perfeccionan, pero el severo dorico es sustituído por el corintio. Tuvo fortísima resonancia en toda la Meseta Norte y en América. Trazó la Lonja de Sevilla, que levantó su discípulo Juan de Mijares (1583), de planta cuadrada y patio central; tiene dos pisos y decoracion de placas, pirñamides y bolas.En Toledo llegó a dar los dibujos para el Alcazar (1571) y Ayuntamiento (1576) e intervino en el Archivo de Simancas y en los palacios de Aranjuez y de Carlos I en la Alhambra de Granada.

Como urbanista, planeó la reconstruccióndel Zocodover de Toledo, diseñó la traída de aguas para Valladolid y trazó las Panaderías. En Madrid, levanto el plano de la villa, trazó el puente de la Segoviana, la Plaza Mayor y remodeló las manzanas de Santa Cruz y la zona del Puente de Guadalajara.