Katedra została wybudowana w XIV wieku. Wcześniej na jej miejscu stała drewniana kaplica. Najpierw był to kościół parafialny, lecz z czasem nabrał większego znaczenia i pod koniec XVI wieku stał się najważniejszym kościołem w Rzeczpospolitej. W XVII wieku przebudowano kościół na barokowy styl, co sprawiło, że był to jeden z najbogatszych kościołów w kraju.
W Bazylice miejsce miało wiele historycznych wydarzeń, takich jak na przykład koronacja króla Stanisława Augusta Poniatowskiego w 1764. Odbyło się tam wiele ślubów i królewskich pogrzebów. Szczególnie ważnym wydarzeniem było zaprzysiężenie Konstytucji 3 Maja w 1791 roku.
W czasie powstaniu warszawskiego w Katedrze toczyły się walki, a po jego upadku budynek został wysadzony w powietrze. Po II wojnie światowej zrekonstruowano świątynię. Jej konsekracji dokonał 9 czerwca 1960 Stefan Wyszyński, Prymas Polski.
W Katedrze znajdują się groby między innymi: Prymasa Wyszyńskiego, książąt mazowieckich, arcybiskupów warszawskich, Stanisława Augusta Poniatowskiego, Gabriela Narutowicza, Henryka Sienkiewicza i Ignacego Jana Paderewskiego.
W ostatnich latach kościół stał się ważnym, międzynarodowym, centrum promocji muzyki sakralnej. W okresie letnim w Archikatedrze odbywają się koncerty organowe.
