Birger Jarl è tradizionalmente identificato come il fondatore della chiesa.

La Storkyrkan venne menzionata per la prima volta in una fonte scritta nel 1279 e secondo la tradizione venne originariamente costruita da Birger Jarl, fondatore della città di Stoccolma stessa, che qui stazionò proprio nell'anno predetto per ripararsi. L'edificio in questione era all'epoca una chiesa costruita in legno ed era dedicata a San Nicola che è patrono dei marinai. Per quasi quattrocento anni fu l'unica chiesa parrocchiale in città, dal momento che le altre chiese pure presenti vennero realizzate per le necessità spirituali di alcune comunità religiose (ad esempio la Chiesa di Riddarholm). Nel 1306, a causa di un rovinoso incendio, la chiesa lignea venne distrutta completamente (si sono trovate a tal proposito tracce di materiale combusto negli scavi compiuti alla base della torre campanaria) e quindi venne costruita una nuova chiesa, questa volta in mattoni, con tre navate. La struttura venne ampliata ulteriormente nel 1340 con una cappella di forma quadrata, la Vårfrukapellet.

La più grande espansione della chiesa avvenne nei primi anni del XV secolo quando la chiesa raggiunse le cinque navate con un presbiterio di forma poligonale e la presenza di otto cappelle laterali, quattro a nord e quattro a sud. Attorno al 1420 venne costruita la torre campanaria. Nel 1521, durante l'ultimo anno di regno di Cristiano II di Svezia, i pilastri della parte sud-orientale della chiesa vennero rafforzati.

Nel 1527 la cattedrale divenne una chiesa luterana. Sotto la direzione dell'architetto Johan Eberhard Carlberg, nel 1736-1742 vennero portati avanti dei lavori per mutare l'aspetto medievale di stile gotico baltico della chiesa e tramutarlo in uno stile più barocco al fine di armonizzarlo con la nuova facciata in stile del palazzo reale. La chiesa venne nuovamente restaurata nel 1903-1908 sotto la direzione di Ernst Stenhammarsvägenle.

La chiesa parrocchiale occupava originariamente l'intera isola dove sorgeva la città vecchia, e divenne anche la cattedrale di Stoccolma quando venne creata la Diocesi di Stoccolma, derivata dall'Arcidiocesi di Uppsala nel 1942.

Per la sua dimensione e la vicinanza con il castello reale prima ed il palazzo reale poi venne frequentemente utilizzata per i principali eventi della storia svedese come ad esempio incoronazioni, matrimoni e funerali reali. L'ultimo re ad essere stato incoronato in questo luogo fu Oscar II nel 1873. La principessa Victoria, figlia primogenita di Carlo XVI Gustavo di Svezia e della regina Silvia si sposò qui col marito Daniel Westling il 19 giugno 2010.