Prvotna cerkev, ki je stala na njenem mestu, prvic omenjena leta 1262, je bila triladijska romanska bazilika. Po požaru leta 1361 so jo gotsko preobokali. Po ustanovitvi ljubljanske škofije leta 1461 so jo veckrat dozidavali in preurejali. Leta 1469 so jo verjetno požgali Turki. Leta 1701 so jo podrli in zgradili novo, barocno dvoransko cerkev v obliki latinskega križa s stranskimi kapelami.

Nacrte za slednjo je narisal jezuitski arhitekt Andrea Pozzo, gradnja pa je trajala do leta 1706. Na oboku križišca je bila prvotno naslikana navidezna kupola, saj so pravo uspeli zgraditi šele leta 1841. Med barocnim okrasjem so poleg fresk Giulia Quaglia (1703–1706 in 1721–1723) pomembni kipi štirih emonskih škofov pod nosilci kupole, delo kiparja Angela Puttija (1712–1713), njegova upodobitev stolnega dekana Janeza Antona Dolnicarja (1715), ki je bil pobudnik gradnje nove stolnice, ter v precni ladji levo oltarni angeli Francesca Robbe (iz let med 1745 in 1750) in bratov Paola in Giuseppa Groppellija (1711) na desni strani.

Številne umetnine v stolnici so nastale kasneje. Zanimiva je poslikava kupole iz leta 1844, delo Matevža Langusa. Od dopolnitev, narejenih v 20. stoletju, so izjemna glavna vhodna vrata z upodobitvijo zgodovine Slovenije, ki jih je ob 1250-letnici kršcanstva napravil kipar Tone Demšar, ter stranska vrata s portreti škofov, delo kiparja Mirsada Begica.