Ljubljanski ribiči so postavili svojemu zavetniku Svetemu Nikolaju na bregu Ljubljanice na prostoru sedanje stolnice svetišče najbrž potem, ko so njegove relikvije iz maloazijske Mire prenesli v Bari (leta 1087) in se je v zahodnem svetu razmahnilo češčenje tega svetnika. Cerkev je prvič omenjena leta 1262.

V drugi polovici 14. stoletja je bila predelana v gotskem slogu. Pred ustanovitvijo škofije leta 1461 so jo korenito predelali, povišali in prekrili z gotskim obokom ter enotno streho. V 17. stoletju (1. 1675) je bil pod italijanskim vplivom narejen nov prezbiterij. Pobuda za novo stolnico na kraju stare je prišla iz kroga tedanjih izobražencev Academie operosorum. Škof Žiga Herberstein je sam prispeval znaten delež sredstev za svetišče. Vsa dela je vodil kanonik Janez Dolničar. V kratkih šestih letih od leta 1701 do 1707 so gradnjo tudi uspešno izpeljali. Sodelovali so znani gradbeniki, umetniki in slikarji. Načrt za stolnico je izdelal slavni jezuitski arhitekt in slikar Andrea Pozzo iz Rima. Za poslikavo so pridobili severnoitalijanskega slikarja Giulia Quaglia, ki je od leta 1703 naprej poslikal vso stolnico. V nadaljnjih letih in desetletjih so svetišče sv. Nikolaja obogatila umetniška dela številnih uglednih kiparskih in slikarskih imen (Francesca Robba, Angela Puttija, Luka Misleja, Franca Jelovška, Karla Lichtenreita, Matevža Langusa, Janeza in Helene Vurnik, Jožeta Plečnika, Staneta Kregarja, Franceta Goršeta in drugih). Leta 1718 so pozidali tudi veliki pevski kor in nanj leta 1734 postavili orgle z bogatim baročnim ohišjem, ki ga je izdelal Henrik Mihael Löhr. V njem so danes orgle mojstra Ivana Milavca iz leta 1911. Leta 1841 je stavbenik Matej Medved pozidal kupolo, ki jo je poslikal Matevž Langus v letih 1843 in 1844. Leta 1859 so celotno notranjščino marmorirali.

Med zadnjimi pridobitvami ljubljanske stolnice je škofovski sedež, ki ga je leta 1952 podaril arhitekt Jože Plečnik. On je tudi izdelal načrt za predelavo kapele sv. Križa, kamor je postavil najstarejši kip, gotskega Križanega. Iz stare stolnice je še slika sv, Miklavža v glavnem oltarju, delo beneškega slikarja Pietra Liberija (1674). Slikar Stane Kregar je za 500-letnico v barvnem vitraju nad glavnim oltarjem upodobil sedmero zakramentov. Arhitekt Anton Bitenc pa je v letih 1969 do 1971 preuredil prezbiterij po navodilih II. vatikanskega cerkvenega zbora. V cerkvi je iz brona vlit križev pot kiparja Franceta Goršeta iz leta 1973. Pred prvim obiskom Janeza Pavla II. v Sloveniji 16. maja 1996 je stolnica dobila dvoje monumentalnih bronastih vrat: Slovenska in Ljubljanska; prva so delo kiparja Toneta Demšarja, druga pa Mirsada Begiča.