Płock – piastowski gród na Wzgórzu Tumskim – został założony pod koniec X wieku. W roku 1075 utworzono biskupstwo płockie obejmujące swym zasięgiem Mazowsze, północno-wschodnie rubieże państwa polskiego. Na terenie grodu, w miejscu wcześniejszej świątyni z połowy XI wieku, powstała pierwsza kamienna katedra. Pochowano w niej Władysława Hermana z żoną, rodziców Bolesława Krzywoustego. W 1127 r. została zniszczona w czasie najazdu Pomorzan, a szczątki książąt sprofanowane. Nową, monumentalną katedrę, zbudowaną w tym samym miejscu przez biskupa Aleksandra z Malonne, konsekrowano w 1144 r. Romańska, trójnawowa bazylika z absydami, które zamykały prezbiterium i ramiona transeptu, wzniesiona ze starannie obrobionych granitowych ciosów była w tym czasie największą budowlą sakralną w Polsce. Reprezentowała rzadki na terenie kraju typ architektury, dla której analogii należy szukać w sztuce nadmozańskiej. Prawdopodobnie istniały wieże w zachodniej fasadzie i na skrzyżowaniu nawy z transeptem.

Z tamtego okresu pochodzą wspaniałe spiżowe drzwi zamówione przez biskupa w Magdeburgu parę lat po powstaniu świątyni. Na 26 płycinach odlanych z brązu zostały plastycznie przedstawione sceny z życia Jezusa i apostołów. Znajdziemy na nich także, w osobnych kwaterach, wizerunki bp. Aleksandra i abp. magdeburskiego Piotra Wichmann, jak i wykonawców drzwi. Całość łączą bordiury z motywami roślinnymi. Niewiele kościołów w Europie mogło sobie pozwolić na tego typu kosztowną ozdobę. Prawdopodobnie w następnym stuleciu w czasie jednego z najazdów zostały zrabowane przez Litwinów i podarowane księciu Nowogrodu Wielkiego na Rusi, gdzie znajdują się do dzisiaj w soborze św. Zofii. W 1981 r. w katedrze płockiej zawieszono ich wierną kopię wykonaną z brązu.

W burzliwym dla Płocka XIII wieku katedra kilkakrotnie poważnie ucierpiała w wyniku najazdów plemion z północy. W końcu tego stulecia dobudowano do fasady kruchtę z dwiema gotyckimi wieżami po bokach, które w 1492 r. musiały zostać obniżone, gdyż groziły zawaleniem. Od tego czasu dzwony katedralne znajdują się w podwyższonej wówczas baszcie zamkowej, która pełni rolę dzwonnicy (Wieża Zegarowa).

W 1530 r. uderzenie pioruna spowodowało wielki pożar, w wyniku którego runęła część ścian i  sklepienia. Biskup Andrzej Krzycki rozpoczął odbudowę świątyni od podstaw wykorzystując romańskie ciosy kamienne.  Początkowo pracami kierowali włoscy architekci pracujący na Wawelu Jan Cini, Bernardino di Zanobi de Gianotis i Filip z Fiesole. W obrysie romańskim wzniesiono trójnawową bazylikę w stylu renesansowym z kopułą na skrzyżowaniu nawy i transeptu. Budowę  ukończył w 1563 r. Jan Baptysta zwany Wenecjaninem nadając jej ostateczny kształt. Była największą świątynią wzniesioną w XVI wieku w Polsce. Niestety uległy zniszczeniu bogate romańskie detale architektoniczne oraz gotyckie wyposażenie świątyni.

W drugiej połowie XVII wieku wieże ozdobiono barokowymi hełmami. Po kolejnych stu latach katedra ponownie wymagała poważnego remontu. W 1778 r. popękane mury wież i fasady zostały podparte klasycystycznym kolumnowym portykiem wg projektu Dominika Merliniego. W tym kształcie katedra dotrwała do początku XX wieku.

W latach 1901-1903 przeprowadzono gruntowną renowację i przebudowę świątyni, która jednocześnie miała przywrócić jej dawny renesansowy wygląd. Pracami kierował znany warszawski architekt Stefan Szyller, który zaprojektował również znaczną część wyposażenia kościoła (ołtarz główny i boczne, ambonę, stalle). Z dawnego wystroju pozostawiono wszystkie cenne renesansowe i barokowe ołtarze, nagrobki i epitafia. Na uwagę zasługują ołtarze w transepcie: Matki Boskiej Mazowieckiej z 1634 r. i najstarszy Ołtarz Ukrzyżowania z 1600 r. Pozostałe zabytki przeniesiono do nowo wybudowanego w tym celu muzeum katedralnego. Odnalezione romańskie głowice kostkowe wmurowano w ścianę obok budynku. W Kaplicy Królewskiej pod północną wieżą znajduje się sarkofag ze szczątkami władców Polski – Władysława Hermana i Bolesława Krzywoustego, a w krypcie pod kaplicą – szczątki 15 książąt mazowieckich. Sarkofag został zaprojektowany przez malarza Zygmunta Vogla w 1825 r. W latach 1904-1914  Władysław Drapiewski wraz z Mikołajem Brucherem wykonali polichromię zdobiącą całe wnętrze katedry.

W czasie II wojny światowej bomby uszkodziły kaplicę św. Zygmunta, świątynia została zamieniona na magazyn, ale szczęśliwie uniknęła większych zniszczeń. Katedra z ponad 900-letnią historią, jest najcenniejszym zabytkiem Płocka.

Skarbiec katedry uchodził za jeden z bogatszych w Polsce, szczególnie w XV i XVI wieku. Były w nim liczne dary biskupów, królów i książąt. W ciągu stuleci utrwalił się zwyczaj fundowania do katedry złotego kielicha przez każdego kolejnego włodarza diecezji. Stanowiły one również swoiste materialne zabezpieczenie. W 1774 r. skarbiec zawierał jeszcze dziesięć złotych kielichów, srebrne monstrancje i relikwiarze, liczne sprzęty liturgiczne, biżuterie, klejnoty, szaty haftowane złotem. Mimo konieczności sprzedaży części zbiorów na początku XIX wieku skarbiec zawiera nadal cenne  zabytki z różnych epok. Szczęśliwie przetrwał do naszych czasów kielich z pateną ofiarowany ok. 1240 r. przez księcia Konrada Mazowieckiego, wybitne dzieło sztuki romańskiej oraz herma – relikwiarz na głowę św. Zygmunta, dar króla Kazimierza Wielkiego i złoty kielich z emaliami – dar bp. Karola Ferdynanda Wazy.

Bogate zbiory sztuki sakralnej – rzeźby, iluminowane inkunabuły, obrazy, rzemiosło artystyczne, szaty liturgiczne, kolekcję pasów słuckich można oglądać w Muzeum Diecezjalnym znajdującym się w dwóch budynkach obok katedry. Wspaniała kolekcja argenteriów – monstrancji, kielichów, relikwiarzy i innych srebrnych przedmiotów – jest efektownie wyeksponowana w dawnym opactwie benedyktynów.