Počátky dnešní katedrály sahají až do 11.–12. století, kdy byla na jejím místě zbudována románská kaple. Na konci 12. století zde pak za vlády markraběte Konráda II. Oty vznikl kostelík, který měl vlastní apsidu i kryptu. Na konci 13. století došlo k další přestavbě na pravděpodobně románskou baziliku, jejíž pozůstatky byly objeveny během archeologického výzkumu katedrály na začátku 21. století a jsou nyní přístupné i veřejnosti. Chrám byl poté přestavěn do raně gotické podoby a dochází i ke vzestupu jeho důležitosti, když se stává proboštským kostelem a také kolegiátní kapitulou. Kostel byl také několikrát vážně poškozen, především v době třicetileté války. Interiér chrámu byl během 18. století poměrně silně barokizován architektem Mořicem Grimmem, což se projevilo především na bočních oltářích, na přestavbě hlavního a také na odstranění značné části gotických prvků z interiéru. Přestavbu provedl významný brněnský stavitel František Benedikt Klíčník. Roku 1777 byl kostel prohlášen katedrálou. U barokizace se však vývoj katedrály nezastavil, jelikož byla v letech 1879–1891 dále architektonicky upravována. V této době došlo k novo-gotizující rekonstrukci presbytáře kaple Panny Marie a také sakristie. Podoba dnešního hlavního oltáře pochází z konce 19. století, když byl předešlý barokní nahrazen dnešním 11 m vysokým pseudo-gotickým dřevěným oltářem od vídeňského řezbáře Josefa Leimera z roku 1891, který znázorňuje ukřižování Krista, na jehož spodní části je vyobrazeno všech dvanáct apoštolů. Po vnější straně katedrály se nachází náhrobky brněnských biskupů Václava Urbana Stufflera a Vincence Josefa Schrattenbacha a také několika patricijských rodin. Po levé straně směrem od hlavního vchodu se nachází vnější kazatelna, tzv. „Kapistránka“, pojmenovaná podle františkánského řádového bratra Jana Kapistrána, který v Brně kázal ve druhé polovině roku 1451. Tato kazatelna mu však nesloužila, vznikla až v pozdější době jako připomenutí jeho osoby.