Relikty pierwotnego kościoła wzniesionego prawdopodobnie w 2 połowie XIII wieku, kiedy to w 1251 roku książę Mendog przyjął w Nowogródku chrzest, a w 1253 roku wyświęcony na biskupa misyjnego Litwy został Chrystian, znaleziono pod dzisiejszą katedrą. Najprawdopodobniej po odejściu Mendoga od chrześcijaństwa 1261 budowlę tę (być może jeszcze nieukończoną) zburzono. Budowę nowej, gotyckiej katedry pw.św. Stanisława rozpoczęto niedługo po chrystianizacji państwa, w 1386 roku, za panowania Władysława Jagiełły.

W 1399 roku katedra spaliła się, a w jej miejscu w 1419 roku książę Witold zbudował większą. W odbudowanej po raz kolejny katedrze pochowano wielkiego księcia Witolda, a w 1506 roku króla Aleksandra Jagiellończyka. W 1522 roku rozpoczęto gruntowny remont katedry (m.in. umieszczono dzwonnicę w baszcie obronnej Zamku Dolnego). Po kolejnym pożarze w 1530 roku ponownie odbudowano świątynię, tym razem w stylu renesansowym. W 1547 roku w Kaplicy Królewskiej miał miejsce potajemny ślub Zygmunta Augusta z Barbarą Radziwiłłówną.

W 1610 roku nastąpił kolejny katastrofalny pożar. Obok odbudowy katedry, kiedy to dodano dwie wieże od strony zachodniej, król Zygmunt III Waza podjął dzieło budowy kaplicy św. Kazimierza, poświęconej najstarszemu synowi Kazimierza Jagiellończyka, tutaj pochowanemu, patronowi Litwy. Kaplicę wzorowaną na kaplicy Zygmuntowskiej na Wawelu, sto lat późniejszą, według projektu Matteo Castelli, a ukończoną przez Constantina Tencalli, zbudowano w latach 1623–36. Kaplica jest pięknie dekorowana, wykonana z czarnego i białego marmuru, ozdobiona posągami Jagiellonów, stanowi do dziś ozdobę wileńskiej świątyni. Ma ona formę kwadratu, nakrytego kopułą na bębnie. Srebrny ołtarz kaplicy został zrabowany przez wojska rosyjskie w 1655. W ołtarzu umieszczony jest obraz patrona kaplicy. Święty ma na tym obrazie 3 ręce. Według znanej legendy wyjaśniającej ten fakt, malarz próbował zmienić nieco kompozycję wizerunku, zamalowując jedną rękę i malując ją w innym miejscu, lecz zamalowywana kończyna wciąż pozostawała widoczna. Całość kaplicy zdobią freski Michelangela Palloniego. Jej wystrój dopełniają srebrzone figury Władysława Jagiełły, Kazimierza Jagiellończyka, Jana Olbrachta, Aleksandra Jagiellończyka, Zygmunta I Starego, Zygmunta II Augusta i św. Kazimierza. W podziemiach kaplicy zostali pochowani: Aleksander Jagiellończyk, Elżbieta Habsburżanka – żona Zygmunta Augusta, Barbara Radziwiłłówna – żona Zygmunta Augusta i serce Władysława IV Wazy. Na elewacji kaplicy od strony placu Katedralnego znajduje się tablica erekcyjna z herbem Rzeczypospolitej Obojga Narodów z 1636 roku (po 1945 roku z orła znajdującego się na godle usunięto koronę). 

Kolejne zniszczenia katedry przynosiły wojny – z Rosjanami w 1655 roku i Szwedami w latach 1701–02. W 1769 roku na dach świątyni, który częściowo się zawalił runęła jedna z wież (zginęło wtedy 6 księży). Ostatecznie po zniszczeniach przebudowano katedrę w stylu klasycystycznym w 1783 roku według projektu Wawrzyńca Gucewicza i w takiej postaci dotrwała ona do naszych czasów. 

Katedra zachowała trójnawowy układ wywodzący się jeszcze z gotyckiej świątyni. Wschodnia fasada ozdobiona jest monumentalnym, sześciokolumnowym portykiem, a u szczytu fasady wznoszą się figury św. Kazimierza, św. Stanisława i św. Heleny. Figury te ustawiono w latach 1786-92. Zostały one usunięte w 1950 roku, a ostatecznie powróciły w 1997 roku. W głównym ołtarzu znajduje się obraz Franciszka Smuglewicza „Zamordowanie św. Stanisława przez Bolesława Śmiałego„. Świątynię otacza 11 kaplic, z czego dwie zachowały się z poprzednich kościołów: wyżej wspominana kaplica św. Kazimierza oraz kaplica Wołłowiczowska. Zabytek ten jest uważany za jedno z najwspanialszych osiągnięć architektury klasycystycznej w tej części Europy. Warto zwrócić uwagę na rzeźby będące częścią świątyni. Wielka kompozycja figuralna zdobiąca tympanon zewnętrzny przedstawia ofiarę Noego po potopie. Jest to dzieło nadwornego rzeźbiarza Stanisława Augusta, Tomassa Righiego. W niszach pomiędzy pilastrami umieszczono posagi Ewangelistów, nad którymi widnieją płaskorzeźby wyobrażające sceny z Dziejów Apostolskich. Największe rzeźby, przedstawiające Mojżesza i Abrahama, ustawiono po obu stronach portyku. Podczas rządów radzieckich katedra początkowo została przekształcona na magazyn – wysadzono w powietrze figury świętych ze szczytu fasady. Potem odbywały się tutaj koncerty organowe.

Nabożeństwa zaczęto ponownie odprawiać tutaj od 1985 roku, choć oficjalnie cały czas była to galeria obrazów. W 1989 roku katedra została rekonsekrowana, a wkrótce potem odrestaurowana. Przed katedrą stoi wolno stojąca nietypowa dzwonnica o wysokości 57 metrów. Pierwotnie była to wieża obronna Zamku Dolnego, przebudowana na dzwonnicę w 1522 roku. Podstawa wieży pochodzi z XIII wieku, a okrągła część środkowa z wieku XIV. Dwie pierwsze kondygnacje są w stylu barokowym, natomiast trzecia w klasycystycznym. Dziesięć z jej dzwonów odlano między XVI a XVIII wiekiem. W 1967 roku dodano 17 nowych dzwonów, a kolejne 6 zawieszono w 2002 roku. Po prawej stronie katedry dominuje nad Placem Katedralnym pomnik Giedymina, założyciela Wilna, odsłonięty w 1996 roku. 

Zdjęcia wykonano w kwietniu 2010 roku.