Pierwsza katedra, znajdująca się w miejscu obecnej, powstała w początkach XI wieku, po ustanowieniu w Krakowie biskupstwa. Obiekt przetrwał zaledwie kilkadziesiąt lat, a jego fundamenty zachowały się w obecnych podziemiach świątyni. Pod koniec XI stulecia książę Władysław Herman podjął wysiłek zbudowania kolejnej katedry. Budynek w stylu romańskim przetrwał do 1305 roku, kiedy został strawiony przez potężny pożar. Do obecnych czasów zachowały się jednak liczne fragmenty konstrukcji – m.in. Krypta św. Leonarda i część Wieży Srebrnych Dzwonów.

Za Władysława Łokietka rozpoczęły się prace nad kolejną, trzecią już strukturą. Gotycka świątynia poświęcona została w 1364 roku. Była ona potem rozbudowywana przez resztę XIV i XV wieku. W tym czasie dobudowano 19 kaplic otaczających główny obiekt. Najsłynniejszą kaplicą jest jednak tzw. Kaplica Zygmuntowska, wzniesiona w stylu renesansowym w latach 1519-33 z fundacji Zygmunta Starego. Jej dach pokryty jest złoconą dachówką, co sprawia, że nie sposób jej nie zauważyć. 

Z okresu budowy pierwszych kaplic pochodzi wieża Zygmuntowska, pełniąca pierwotnie funkcje obronne, przerobiona następnie na dzwonnicę, w której w 1521 roku zawisł słynny Dzwon Zygmunta – jedna z największych atrakcji Wawelu. W latach 20. XVII wieku w centralnej części kościoła wzniesiono baldachim, pod którym znajdują się relikwie św. Stanisława, patrona Polski. Srebrny relikwiarz, jak i jego najbliższe otoczenia są jednym z najznakomitszych dzieł barokowych w kraju. Jest to tzw. Ołtarz Ojczyzny, przy którym odprawiano najważniejsze w dziejach Polski msze, składano trofea wojenne i proszono o łaskawość niebios. 

Oprócz św. Stanisława w części ogólnodostępnej Katedry Wawelskiej znajdują się nagrobki władców: Władysława Łokietka, Kazimierza Wielkiego, Władysława Jagiełły i innych. Najsłynniejszymi i najczęściej odwiedzanymi miejscami pochówków jest jednak Krypta Wieszczów Narodowych, w której spoczywają pogodzeni pośmiertnie Juliusz Słowacki i Adam Mickiewicz. Pod całą katedrą znajdują się natomiast krypty, budowane przez XVI i XVII wiek, będące miejscem pochówku królów i bohaterów narodowych (np. Tadeusz Kościuszko). W kryptach spoczynek znaleźli także Józef Piłsudski, generał Władysław Sikorski oraz Lech Kaczyński z żoną Marią.