Stavbu katedrály zahájil olomoucký údělný kníže Svatopluk v letech 1104-1107, pokračuje v ní jeho syn Václav, který před svou smrtí v roce 1130 předává stavbu olomouckému biskupovi Jindřichu Zdíkovi. Ještě nedokončená stavba je vysvěcena 30. června roku 1131, za její dokončení je označován rok 1141. V tomto roce se také stala katedrálou, to je biskupským kostelem. Původní trojlodní románská bazilika s převýšenou střední lodí prošla četnými přestavbami, z románského období se dnes dochovaly pouze část obvodového zdiva, zasypaná krypta a základy průčelních věží. Původní podoba baziliky je zobrazena na pečeti biskupa Jindřicha Zdíka. V roce 1265, po ničivém požáru, byla katedrála olomouckým biskupem Brunem ze Schaunberka přestavěna. Touto přestavbou zaniká téměř celá románská stavba a katedrála získává gotickou podobu. Gotická přestavba dále pokračuje i ve 14. století (klenby, vnitřní nosné pilíře, nový ambit kolem čtvercové rajské zahrady). V období 1582-1591 je přistavěna biskupem Stanislavem II. Pavlovským jako rodinná hrobka kaple sv. Stanislava a v letech 1589-1595 je stejným biskupem uskutečněna vestavba dnes již zaniklé střední věže v průčelí mezi dvěma, v té době uchovanými románskými věžemi. V letech 1616-1618 bylo postaveno nové manýristické kněžiště o rozměrech 35 x 23 m a výšce klenby 23 m (stavebník olomoucký biskup František z Dietrichštejna) a byla zahájena výstavba krypty pod tímto schodištěm (dokončena v roce 1661). V roce 1803 zničil požár po zásahu blesku všechny tři věže průčelí, průčelí bylo potom klasicistně upraveno a získalo vzhled celistvého bloku.

V letech 1883-1892 byla uskutečněna rozsáhlá novogotická přestavba (stavebník olomoucký arcibiskup kardinál Bedřich Fürnsteberk, architekt G. Meretta a R.Völkel). Jednalo se především o stavbu průčelních novogotických věží, přístavbu chórové kaple, výstavbu zcela nové, hlavní věže,regotizaci kněžiště a interiéru.V současné době je postupně realizována oprava celého kamenného pláště katedrály. Dnešní podoba katedrály vzniklá v letech 1883-1892 představuje svébytné monumentální dílo, které v sobě zahrnuje různé stavební etapy, počínaje románských slohem a novogotickým romantismem 19. století konče. Tvůrci přestavby vtiskli katedrále jednotící podobu v souladu s pojetím stavby katedrály jako časově dlouhého, vícegeneračního procesu. Nově vzniklá silueta chrámu s hlavní věží vysokou 100,65 m obohatila panorama města a stala se jedním z jeho vizuálních symbolů.