Bazylika góruje nad Wzgórzem Tumskim od końca XI w. Najpierw była to budowla drewniana, a następnie murowana. Katedra zbudowana została z ciosów kamiennych w stylu romańskim w latach 1129-1144.
W 1156 r. w świątyni zamontowano brązowe drzwi wykonane w Magdeburgu na zamówienie bp. Aleksandra z Malonne. W niewyjaśnionych okolicznościach pod koniec XIII w. znalazły się one w soborze Mądrości Bożej w Nowogrodzie Wielkim, gdzie znajdują się do dziś. Od 1981r. wierna kopia drzwi zaliczana jest do najwybitniejszych dzieł sztuki romańskiej w Polsce.
Od XII w. rozwija się tu kult św. Zygmunta, którego relikwie znajdują się w hermie (rodzaj relikwiarza) podarowanej kościołowi w 1370 r. przez króla Kazimierza Wielkiego.
Po pożarze w 1530 r. katedra została gruntownie przebudowana w stylu renesansowym pod kierunkiem architekta Jana Baptysty z Wenecji. Wówczas zbudowano kopułę nad transeptem kościoła i przedłużono prezbiterium, do którego dobudowano zakrystię, skarbiec i kapitularz. Jednocześnie urządzono wnętrze katedry.
W latach 1784-1787 przebudowano katedrę w stylu klasycystycznym.
W 1825 r. w kaplicy zwanej Królewską złożono szczątki Władysława Hermana i Bolesława III Krzywoustego.
W 1900 r. rozpoczęto generalny remont świątyni. Projekt przebudowy katedry w stylu neorenesansowym wykonał arch. Stefan Szyller. W 1991 r. płocka bazylikę mniejszą nawiedził katedrę papież Jan Paweł II.