W połowie XIII w. na zachodnim zboczu Góry Zamkowej, okolonym starym korytem Wilenki, stała świątynia (prawdopodobnie katedra Mendoga). Istnieje przypuszczenie, że po śmierci króla Mendoga (1263 r.) pierwsza katedra mogła być przekształcona w świątynię pogańską. Z czasem kwadratowa budowla została zburzona, a na jej fundamentach wzniesiono nowe mury gotyckie grubości 1,4 m i mniej więcej o 60 cm podwyższono podłogę. Tę nową budowlę gotycką, po wprowadzeniu w 1387 r. chrześcijaństwa na Litwie, wzniósł wielki książę litewski Jagiełło. Katedrę wyświęcono pod wezwaniem Najśw. Trójcy, św. Marii, św. Stanisława i św. Władysława.

Kościół Jagiełły – budowla o wymiarach 22,6 x 22,6 z mocnymi narożnymi skarpami oraz wąskim prezbiterium i drewnianą dobudówką boczną – spłonął w 1419 r. Wielki książę litewski Witold wkrótce od podstaw odbudował kościół szerszy i wyższy, już murowany w stylu gotyckim. Później do tego kościoła dobudowano kaplice, których fundatorami byli litewscy magnaci V.Montvydas, M.Goštautas, M.Kęsgaila, a także Kazimierz Jagiellończyk oraz inni. Po upływie przeszło 100 lat katedra wymagała dużego remontu i dlatego postanowiono gruntownie ją przebudować. W 1522 r. pod kierownictwem architekta Annusa rozpoczęto prace. Tymczasem nagły pożar w 1530 r. zniszczył jeszcze nie ukończony kościół. W 1534 r. ponownie rozpoczęto prace nad przebudową katedry według planu przygotowanego przez architekta z Rzymu Bernarda Zanobiego pod jego osobistym nadzorem. W 1539 r. nieukończona katedra również spłonęła. Po tym pożarze jej renowacją zajął się architekt Giovanni Cini z Sieny, który już w 1545 r. wzniósł nowe sklepienia. Katedra zbudowana została w stylu renesansowym i ukończona była dopiero w 1557 r. Fundament, podobnie jak i gotycki, nie był odpowiednio zagłębiony i dlatego już w 1596 r. ścianę frontonu należało wybudować od podstaw. Po straszliwym pożarze w 1610 r. katedrę musiano przebudować po raz trzeci. Praca nad przebudową trwała z górą 20 lat. Razem z katedrą budowano też kaplicę św. Kazimierza, w której w 1636 r. umieszczono szczątki św. Kazimierza, kanonizowanego w 1603 r. W 1639 r. katedra ponownie płonęła, ale już wkrótce została odbudowana. W 1655 r. Wilno zajęli Rosjanie i gospodarzyli tu do roku 1660. Miasto i zamek uległy ruinie, a kościoły - grabieży. Relikwie św. Kazimierza wywieziono, a szczątki wielkiego księcia litewskiego Aleksandra oraz żon Zygmunta Augusta – Elżbiety i Barbary – zamurowano w podziemiach katedry.

Przypuszczalnie w tym okresie zbezczeszczono grób Witolda, a jego szczątki zniszczono. Po zakończeniu wojen, w 1666 r. rozpoczęto prace renowacyjne po kierownictwem architekta Giovanniego Salvatore. Powróciły tu szczątki św. Kazimierza.

Kościół odbudowano już w stylu barokowym. W latach 1752-1754 według projektów Glaubitza zrekonstruowano katedrę i dzwonnicę. Wzniesione na narożnych kaplicach wieże stopniowo się zwężały i u góry były już ażurowe. Tak wyglądała katedra do 1769 r., zanim runęła jej wieża południowa. W 1777 r. staraniem biskupa wileńskiego Ignacego Massalskiego rozpoczęto odbudowę katedry według planu opracowanego przez Wawrzyńca Gucewicza (Laurynasa Gucevičiusa). Prace prowadzono w latach 1782-1792. Barokową katedrę zrekonstruowano w stylu klasycystycznym. Gucewicz wydłużył ją i poszerzył, nie tknął jednak ani starych fundamentów, ani murów, zachował wysokość wnętrza i układ halowy. Jako element wyjściowy rekonstrukcji posłużyła mu kaplica św. Kazimierza, w której nic nie zmienił. Wymiary jej planu wykorzystano na pozostałych trzech narożach budynku. Od strony wschodniej dobudowano identyczną zakrystię z kopułą, a od zachodniej – jeszcze większe owalne kaplice, tylko bez kopuł, a przed fasadą – monumentalny portyk. W ten sposób Gucewicz stworzył od zewnątrz całkiem nowy symetryczny harmonijny budynek klasycystyczny bez naruszenia autentycznych historycznych murów. Po śmierci Gucewicza w 1798 r. pracę kontynuował profesor Uniwersytetu Wileńskiego Michał Szulc, który ukończył budowę kościoła, nieco korygując pierwotny plan. W 1801 r. biskup Kossakowski dokonał konsekracji. Ta katedra stoi do dziś. W 1921 r. papież Benedykt XV kościołowi katedralnemu nadał miano bazyliki. Dach katedry był pokryty grubą blachą miedzianą, którą w 1917 r. Niemcy zerwali i pokryli papą (później blachą cynkową).

Po bokach kościoła są galerie z sześcioma kolumnami w stylu doryckim. W niszach stoją rzeźby: po stronie południowej – posągi książąt WKL, a po północnej – posągi 5 świętych z zakonu jezuitów, przeniesione w 1832 r. z ołtarzy kościoła św. Kazimierza. Na elewacji kaplicy św. Kazimierza wisi marmurowa tablica z łacińskim napisem, ozdobiona dawnym herbem państwowym. Portyk katedry ma styl dorycki, a u góry – kompozycję figuralną włoskiego rzeźbiarza Righiego, przedstawiającą ofiarę Noego po wyjściu z arki. Na fasadzie po bokach stoją okazałe posągi Abrahama i Mojżesza, a z obu stron drzwi – nieco mniejsze rzeźby czterech ewangelistów: Marka z aniołem, Mateusza z lwem, Łukasza z bykiem i Jana z orłem. Wyżej, nad drzwiami – pięć płaskorzeźb, przedstawiających sceny z dziejów apostolskich. Nad frontonem – trzy monumentalne posągi: po środku św. Helena z dużym pozłacanym krzyżem, po lewej – św. Stanisław i po prawej – św. Kazimierz. W latach 1790-1793 według rysunku F. Smuglewicza oraz podanych przez W. Gucewicza wymiarów stworzyli je litewscy rzeźbiarze Karol i Kazimierz Jelscy.

W 1931 r. wezbrane wody Wilii zalały plac Katedralny i jego podziemia. Po tym wydarzeniu katedra potrzebowała remontu kapitalnego. Po drugiej wojnie światowej w 1939 r. została zamknięta. W 1950 r. zdobiące katedrę posągi, za przyzwoleniem ówczesnych czołowych architektów wileńskich, zdjęto i zniszczono. Sama katedra została splądrowana. Około 4000 książek przekazano Izbie Książki. W 1952 r. szczątki św. Kazimierza przeniesiono do kościoła św. św. Piotra i Pawła. Katedrę przekazano Muzeum Sztuk Pięknych, pod którego nadzorem dokonano remontu kosmetycznego, wprowadzono ogrzewanie. W 1956 r. powstała tu Galeria Obrazów, zawieszono nowe żyrandole, ponieważ stare znikły.

W 1956 r. poczdamska firma H. Schube odrestaurowała zniszczone organy.

W 1980 r. dach katedry pokryto miedzianą blachą, odrestaurowano rzeźby fasadowe, przemalowano je, a w 1981 r. odnowiono również wnętrze. Katedrze zwrócono jej obrazy. Obok kolumny zrobiono wykop, odsłaniający przekrój warstw historycznych ziemi, który obecnie można obejrzeć. Muzeum Sztuk Pięknych zachowało przedmioty liturgiczne, tabernakulum, antepedium oraz inne, za co arcybiskup J. Steponavičius wyraził wdzięczność kierownictwu muzeum. 23 października 1988 r., po zwróceniu katedry wiernym, kardynał V.Sladkevičius przed drzwiami katedry odprawił pierwszą mszę św. 5 lutego 1989 r. odbyła się konsekracja katedry, a 4 marca tegoż roku z kościoła św.św. Piotra i Pawła przeniesiono szczątki św. Kazimierza. Postanowiono odbudować posągi. Gipsowe modele odtworzył rzeźbiarz S. Kuzma. Wszystkie trzy rzeźby jesienią 1996 r. ustawiono na dachu. Po lewej stronie ołtarza jest tablica pamiątkowa Witolda Wielkiego. Nad nią umieszczono przeniesiony z kościoła Augustianów portret Witolda Wielkiego. Obecnie katedra jest znana jako Archikatedra Bazylika pod wezwaniem św. Stanisława i św. Władysława.