Etter Olav Haraldssons død på Stiklestad 1030, ble hans legeme gravd ned i en sandmæl ved Nidelven i Nidaros. 3. august 1031, et år og fem dager etter slaget ble Olav erklært hellig. På det sted hvor graven hadde vært ble det reist en enkel kirke i tre, en stavkirke. Olavs ry som helgen vokste raskt og antallet pilegrimer som søkte hans grav økte. Som et ledd i prosessen med å gi kirken en mer permanent organisasjon i Norge, ble det i år 1070 opprettet et bispesete i Nidaros. Bispesetet lå, sammen med de to øvrige norske bispesetene i Oslo og på Selje (senere Bergen), under erkebipsesetet i Hamburg/Bremen. I forbindelse med opprettelsen av bispesetet i Nidaros begynte man i 1070 under kong Olav Kyrre å bygge en katedral, bispekirke, i stein. Kirkens hovedalter ble plassert på det stedet hvor St. Olav etter tradisjonen hadde vært gravlagt. Den første katedralen som ble bygd over St. Olavs grav ble revet allerede på 1200-tallet for å gi plass til en større kirke. Av den grunn vet vi lite om hvordan den første katedralen på stedet så ut. Katedralen var sannsynligvis bygd etter engelske forbilder med et rett avslutta kor i øst. Den var bygd i det vi i dag anser for å være den romanske perioden, karakterisert ved runde buer, små vindus- og døråpninger samt tykke, massive murer. Ytterveggene i skipet sto på det stedet hvor pilarene i koret i dag står og kirken gikk så langt vest som dagens hovedtårn er. I vest var katedralen etter all sannsynlighet avslutta med et såkalt vestverk karakterisert av to tårn. Katedralen ble viet til treenigheten og gikk i middelalderen under navnet Kristkirken i Nidaros.