Archikatedra powstała w XVI w. na ziemiach należących do Andrzeja Tęczyńskiego. Sprowadził on do Lublina zakon jezuitów. Kościół ufundował Bernard Maciejewski. Budowę rozpoczęto w 1586 r. wg projektów Jana Marii Bernardoniego i Józefa Bricca. Ukończono ją w 1625 r. Została już zbudowana w barokowym stylu, mimo to w pewnych miejscach można się doszukać detali renesansowych. Jezuici postanowili wybudować kompleks budynków dla szkoły i kolegium, które postanowili prowadzić. Budynki usytuowane były wzdłuż ulicy Jezuickiej oraz wokół dzisiejszego placu Katedralnego. Stykały się z gmachem katedry, przez co wewnątrz utworzył się dziedziniec. Całość wkomponowana była w mury obronne, przez co okna katedry musiały znajdować się powyżej linni murów z powodów bezpieczeństwa. W tym okresie była to świątynia jednonawowa z ołtarzami bocznymi.
W 1752 kościół został odbudowany w stylu barokowym po pożarze. W 1757 wnętrze świątyni pokryto iluzjonistycznymi freskami przez nadwornego malarza Augusta III Sasa, Józefa Meiera.
Po kasacji zakonu w 1773 w wyniku utworzenia Komisji Edukacji Narodowej z Lublina ustąpili jezuici. Kościół i klasztor przejęli ojcowie trynitarze. Nie mieli oni jednak żadnych pieniędzy na utrzymanie świątyni, przez co kościół oraz dawne zabudowanie kolegium jezuickiego popadały w ruinę. W 1797 świątynia pełniła funkcję magazynu na zboże.
W 1805 utworzono diecezję lubelską. Na jej siedzibę wybrano dawny kościół jezuitów. W 1815 rozpoczęto wyburzanie gmachów kolegium jezuickiego. Gruz użyto do budowy szosy zamojskiej ( dzisiejsza ul. Kardynała Stefana Wyszyńskiego ). Gmachy znajdujące się przy ul. Jezuickiej oraz graniczące z furtą klasztorną, przeznaczono na szkołę wojewódzką. Swego czasu uczęszczał do niej Józef Ignacy Kraszewski, nie otrzymał jednak promocji do następnej klasy. Furtę klasztorną, która już w 1627 została podwyższona i umieszczono na niej dzwony przebudowano w stylu neogotyckim i nazwano Wieżą Trynitarską. W 1821 Antonio Corazzi zaprojektował nową fasadę, utrzymaną w klasycystycznym stylu. Przed wejściem do świątyni umieścił sześciokolumnowy portyk z balkonem.
Kolejna przebudowa nastąpiła w 1878 r. Odnowiono wtedy wnętrze kościoła a sześciokolumnowy portyk zmieniono na czterokolumnowy. Balkon zastąpiono frontonem.
W wyniku zniszczeń podczas II wojny światowej, budynki dawnego kolegium ostatecznie przestały pełnić funkcje oświatowe. Budynki przez wiele lat stały puste. Obecnie znajduje się tu Archiwum Państwowe. Sama katedra została straciła jedną z wież. Z inicjatywy kardynała lubelskigo Stefana Wyszyńskiego, katedrę odbudowano. Powrócono do projektu Corazziego z sześciokolumnowym portykiem i balkonem. Na froncie świątyni umieszczono sgraffito z biskupim wezwaniem Stefana Wyszyńskiego - Soli Deo ( Bogu jedynemu ). W ostatnich latach rozpoczęto renowację wnętrza katedry. Obecnie prace dobiegają końca.
Wnętrze naw pokryte jest freskami wykonanymi głównie przez Jana Meiera. W prezbiterium znajduje się XVII w. ołtarz wykonany z czarnej gruszki libańskiej, obecnie w swoim oryginalnym hebanowym kolorze, znajdują się w nim złote rzeźby świętych. W prezbiterium wiszą również dwa barokowe obrazy, Ostatnia wieczerza i Uczta Heroda. W kaplicach bocznych oprócz fresków możemy zobaczyć figury świętych, między innymi Ignacego Loyoli oraz obrazy. W ołtarzu bocznym przy lewej nawie wisi obraz Matki Boskiej Płaczącej. W 1949 obraz płakał krwawymi łzami, które zostały zebrane i umieszczone w jednym z kamieni w koronie Maryi. W kaplicy Najświętszego Sakramentu znajduje się cudowny Krzyż Trybunalski, znajdujący się pierwotnie w kościele św. Michała.
Warta uwagi jest Zakrystia Akustyczna. W niej oraz sąsiednim skarbcu eksponowane są bardzo cenne zbiory przedmiotów liturgicznych. W obydwu pomieszczeniach znajdują się iluzjonistyczne freski Meiera, przedstawiające tryumf wiary nad herezją oraz jeźdźca Apokalipsy Zakrystię cechuje ciekawa własność. Stojąc odwróconym twarzą do ściany i mówiąc, osoby znajdujące się w innym rogu pomieszczenia wszystko usłyszą, nawet szept. Podobno biskup lubelski chciał mieć możliwość podsłuchiwania rozmów gości, których przyjmował w Zakrystii.
W archikatedrze znajduje się wiele przedmiotów przeniesionych do niej w XIX w. z kościoła św. Michała . Oprócz Krzyża Trybunalskiego, jest tu chrzcielnica z XIV w., tablice epitafijne, m.in. Sebastiana Klonowica, monstrancje itd.
Od niedawna otwarte są dla zwiedzających krypty. Leżą tam zmarli biskupi lubelscy. Można tu oglądać ubrania zmarłych, portrety nagrobne, przedmioty z którymi chowani byli zmarli. Wejście do krypt znajduje się we wnętrzu katedry.