Vilnius pirmą kartą paminėtas 1323 m. kunigaikščio Gedimino laiškuose. Šie metai laikomi miesto įkūrimo data, nors Neries ir Vilnios santakoje žmonės įsikūrė kur kas anksčiau. Pirmoji katedra Lietuvos sostinėje pastatyta jau XIII a. viduryje, Mindaugo laikais. Tačiau po jo nužudymo katedra buvo paversta pagonių šventykla. 1387 m. Lietuvai apsikrikštijus Jogailos dėka buvusios šventyklos vietoje pastatyta nauja bažnyčia. Jai sudegus Lietuvos didysis kunigaikštis Vytautas pastatė naują, gotikinę didesnę bažnyčią, prie jos kunigaikščiai ir didikai pristatė koplyčių. Tačiau dar ne kartą Vilniaus katedra buvo perstatyta, remontuojama (buvo renesanso, baroko stiliaus ).

Vilniaus arkikatedra su atkurtomis šv. Stanislovo, šv. Elenos ir šv. Kazimiero skulptūromis

1655 m. per karą su Maskva katedra buvo smarkiai sužalota ir apiplėšta, vietomis įgriuvo skliautai, tad vėl reikėjo ją remontuoti. 1783 m. katedra pradėta rekonstruoti pagal Lauryno Stuokos - Gucevičiaus (1753 - 1798 m.) projektą. Architektas M. Šulcas rekonstrukciją baigė 1801 m. , katedra tapo klasicistine.

1922 m. katedrai suteiktas bazilikos titulas, 1925 m. ji tapo arkikatedra. Nuo 1949 iki 1988 m. arkikatedra uždaryta, 1956 m. čia įrengta Paveikslų galerija. 1989 m. vasario 5 d. arkikatedra buvo iškilmingai pašventinta. 1997 m. ant jos stogo atstatytos šv. Elenos, šv. Kazimiero ir šv. Stanislovo skulptūros (jos nuimtos ir sunaikintos buvo 1950 m.).

Katedroje yra vienintelio Lietuvos šventojo, mūsų krašto globėjo, šv. Kazimiero palaikai. 1623 -1636 m. pastatyta barokinė šv. Kazimiero koplyčia, į ją 1636 m. padėtas šv. Kazimiero karstas. Šventojo relikvijos ir karstas 1952 m. buvo pervežtos į šv. Petro ir Povilo bažnyčią, 1989 m. sugrįžo į arkikatedrą.

Vilniaus arkikatedroje yra karūnuotas Mergelės Marijos paveikslas. Anksčiau šis paveikslas buvo Vilniaus šv. Mykolo bažnyčioje. Vilniaus vyskupas Aleksandras Sapiega, ištyrus stebuklus ir malones, jau 1670 m. paskelbė paveikslą stebuklingu. Šv. Mykolo bažnyčios fundatoriai Sapiegos rūpinosi gauti šv. Sosto leidimą paveikslui vainikuoti. Leidimas buvo gautas ir 1750 m. rugsėjo 8 d. paveikslas buvo iškilmingai vainikuotas.

Vilniaus arkikatedroje buvo laidojami Lietuvos valdovai, didikai, įžymūs žmonės. Katedroje palaidoti Vytautas Didysis (1430 m. , šiandien jo palaikų buvimo vieta nežinoma), jo žmona Ona (1418 m.), brolis Žygimantas Kęstutaitis (1440 m.), Švitrigaila (1452 m.), Vytauto brolio Žygimanto sūnus Mykolas (1452 m.), šv. Kazimieras (1484 m.), Žygimanto Augusto žmonos: Elžbieta (1545 m.) ir Barbora Radvilaitė (1551 m.). Vilniaus arkikatedra turi šv. Stanislovo ir šv. Vladislovo titulą.