Ifølge Saxo Grammaticus blev der bygget en trækirke af Harald Blåtand i 980'erne. Den lå, hvor Roskilde Domkirke ligger i dag. Trækirken hed Treeninghedskirken, og Harald, der døde i Polen, blev ifølge en ikke i øvrige kilder bekræftet angivelse hos Adam af Bremen begravet i den. I Domkirken findes en nyere gravpille for Harald, men graven er tom. Hans søn Svend Tveskæg udvidede efter sigende kirken og blev muligvis også begravet i den. Ingen af gravene er dog fundet.

I 1020 blev Roskilde udnævnt til bispesæde, og kirken blev Domkirke. I kirken myrdede kong Knud i 1028 sin søster Estrids mand, Ulf Jarl. Kongen blev af bispen dømt til at betale mandebod (erstatning) til sin søster, der brugte pengene til at bygge den første 'stenkirke' i Roskilde i 1035. Det er dog ikke sikkert at det er Domkirkens forgænger, der henvises til. I 1070'erne blev byggede Svend Estridsen en frådstenskirke, hvor Domkirken ligger nu. Svend Estridsens grav findes i den nuværende Domkirke. Den fuldførtes af bisp Svend Nordmand i 1080 og også hans grav findes i en af kirkens piller. Det er tidligere konkluderet af i slutningen af 1100-tallet påbegyndte Absalon den nuværende teglstenskirke. Nyere forskning peger dog på at den først blev påbegyndt omkring 1200 som gotisk kirke og opbyggedes gennem det 12- og 13. århundrede. Der udbrød brand i den nybyggede Domkirke i 1282, hvorved en del af kirkens skatte gik tabt.

I 1413 skete der noget afgørende i Roskilde Domkirkes historie. Dronning Margrete 1., som samlede Danmark, Norge og Sverige i Kalmarunionen, dør året forinden, men kongen og biskoppen i Roskilde beslutter, at hendes lig skal flyttes til Roskilde Domkirke fra dets oprindelige plads i Sorø Klosterkirke. Margrete 1.'s nye sarkofag markerer begyndelsen på Domkirken som en gravkirke for Kalmarunionens regenter.

I 1443 brænder store dele af Roskilde og Domkirken beskadiges. Biskop Oluf Mortensen istandsætter kirken og bygger kirkens tre våbenhuse, samt sit eget gravkapel, Skt. Birgittes Kapel, der nu huser dronning Margrethe 2.s kommende gravmæle. Christian 1. bygger samtidig sit eget eget gravkapel, Helligtrekongers Kapel.

Martin Luthers tanker spreder sig til Danmark. Christian 3. vil gøre Danmark lutheransk og gennemfører reformationen i Danmark i 1536. Roskilde er en af den romersk-katolske kirkes højborge på dette tidspunkt og modstanden mod Luther er stor. Biskoppen fængsles og kongen sender sin stærkeste reformator, Hans Tausen, til Roskilde for at indføre den luthersk-evangeliske kirke. I Domkirken fjernes de mange helgenaltre, kirkens relikvier og jord og skatte inddrages. I 1555 får Domkirken sit orgel, bygget af Herman Raphaëlis, der skal understøtte menighedens salmesang. Der spilles stadig på orglet i dag.

En ny altertavle kommer til kirken omkring 1600. Christian 4. opstiller sin egen loge og en prædikestol. Da dronning Anna Cathrine dør i 1612, bygger Christian 4. et nyt kapel til sin familie kaldes Christian 4.s kapel. I 1630'erne opfører Christian 4. desuden Domkirkens to karakteristiske spir.

I 1690 ryddes det gamle katolske højkor og indrettes til gravplads for Christian 5. Muren imellem kirken og koret rives ned, og alteret flyttes op i koret. I 1770 igangsættes byggeriet af Frederik 5.s kapel. Byggeriet bliver dog langt dyrere end forventet, og kapellet står først færdigt i 1825. I sidste del af 1800-tallet gennemgår Domkirken en række hårdhændede istandsættelser, hvor en del af den originale kalkmaling fjernes.

Christian 9. var den første af den glückburgske kongeslægt, og både Frederik 8. og Christian 10. er begravet i hans kapel fra 1923. Efter Frederik 9.s død i 1972 omlægges Domkirkepladsen og kongens gravplads indrettes i et åbent kapel udenfor kirken, efter kongens eget ønske - og som det eneste af sin slags.

26. august 1968 udbrød der brand i tagværket under en restaurering af Margretespiret. Branden blev slukket, inden der skete skade indvendigt i kirken, men det oprindelige Margretespir og en klokke fra tidlig middelalder gik tabt. De nye trykimprægnerede spær og kopien af Margretespiret holdt imidlertid kun i 30 år, da beskyttelsesmidlerne viste sig at tære træet og nedbryde kobberet i taget. Så i 1990'erne måtte spiret igen udskiftes og i 2006-08 fik kirken nyt tag.

I 2018 blev den nuværende dronning Margrethe 2.s kommende gravmæle opstillet i Sankt Birgittes kapel. Da gravmælet først vises frem for offentligheden efter Dronningens død, er der udfærdiget en tildækning. Udarbejdelsen af gravmælet har været undervejs siden 2003, hvor billedhugger, professor Bjørn Nørgaard fik til opgave at udarbejde et moderne gravmæle, der kan indføje sig i den lange række af kongelige gravmæler i Roskilde Domkirke.