В центральной части собора, под полом, найдены остатки каменного языческого храма и первого кафедрального собора короля Миндаугаса (середина XIII в.) - квадратного, трехнефного, с башней, с контрфорсами и полом из разноцветных глазурованных и орнаментированных керамических плиток, с чертами романского стиля или ранней готики. Новый кафедральный собор на этом месте был построен в 1386-1387 гг. по случаю принятия христианства в восточной Литве. После пожара 1419 г. великий князь литовский Витаутас заново отстроил собор, увеличив его размеры. Это был готический, трехнефный, с двумя башнями храм. После окончания строительства у его внешних боковых стен феодальная знать начинает возводить родовые часовни-мавзолеи, существование которых оказало влияние на архитектуру собора при всех его дальнейших реконструкциях и которые сохранились до сих пор. В 1534-1557 гг. собор был реконструирован римским архитектором и скульптором Б. Занобия де Джанотти, и хотя он сохранил характерную для готики зальную трехнефную структуру интерьера с высокими четырехугольными столбами, само здание получило ренессансный вид. В 1613-1616 гг. после пожара и ремонта собор получает барочные черты (архитектор В. Поль).
В 1623-1636 гг. в юго-восточном углу собора была построена квадратная, перекрытая куполом с фонарем часовня св. Казимира. Это один из самых ценных памятников раннего барокко в Вильнюсе, с интерьером, исполненным в традициях итальянской школы (приписывается архитектору и скульптору К. Тенкалло), облицованным разноцветным мрамором и украшенным фресками и скульптурами. Рельефный декор купола, аркад и алтаря часовни появился после реставрации 1692 г. (автор неизвестен). В конце XVII в. итальянский художник К.М.А. Паллони на боковых стенках написал две фрески: «Открытие гроба св. Казимира» и «Чудо у гроба св. Казимира». В нишах стен помещено восемь деревянных посеребренных статуй великих князей литовских (авторы неизвестны).
В 1786-1801 гг. собор был существенно перестроен литовским архитектором Л. Стуока-Гуцявичюсом в стиле классицизма (строительство в 1801 году закончил архитектор М. Шульцас). Внутреннее пространство было мало изменено, построен лишь новый главный алтарь и достроена левая сакристия. На главном фасаде появились величественный портик с шестью дорическими колоннами, ниши с барочными скульптурами евангелистов, Авраама и Моисея (римский скульптор Т. Риги), на его фронтоне - горельеф «Жертвоприношение Ноя». В боковых нишах южного фасада были помещены скульптуры князей литовских (скульптор К. Ельскис), северного - скульптуры святых, перенесенных сюда в XIX в. из костелов св. Казимира и Миссионеров. С восточной стороны кафедральный собор был соединен проходом с рядом стоявшим королевским дворцом (Нижним замком). Собор является красивейшим памятником классицизма в Литве.

© В. Чантурия, Й. Минкявичюс, Ю. Васильев, К. Алттоа, Белоруссия-Литва-Латвия-Эстония, «Искусство», М., 1986 г.