De oudste overblijfselen van een gebouw op de plek van de huidige kathedraal zijn van een Romeins mausoleum. In 705 werd er een abdij gebouwd. Het doopvont in de huidige kathedraal komt uit deze abdij. Daarmee is het doopvont het oudste voorwerp in het huidige gebouw. In 909 werd de abdijkerk van Wells een bisschopszetel. Athelm werd de eerste bisschop van Wells. In 1090 werd de bisschopszetel echter verplaatst naar Bath, vanwege de Normandische verovering van Engeland.

De huidige kathedraal werd gebouwd vanaf ca. 1180. Deze kerk werd gebouwd in gotische stijl. Tussen 1209 en 1213 lag het werk stil doordat Jan zonder Land, koning van Engeland, geëxcommuniceerd werd door paus paus Innocentius III. In eerste instantie wisselde de bisschopszetel tussen Glastonbury, Bath en Wells, maar uiteindelijk, in 1245, werd de kerk in Wells definitief de kathedraal van het bisdom. In 1306 werd de bouw van de kathedraal afgerond. Het gebouw bleek echter gelijk al te klein, waardoor er werd begonnen aan uitbreiding van de kerk. Tijdens de regering van Hendrik VII van Engeland werden de uitbreidingen voltooid.

Tijdens de Engelse Burgeroorlog raakte de kathedraal beschadigd. Onder de regering van Oliver Cromwell geraakte het gebouw in vervallen staat. De kathedraal zou weer hersteld worden tijdens de regering van de aan de macht gekomen Karel II van Engeland. In 1685 raakte de kerk echter weer beschadigd, ditmaal door toedoen van puriteinse soldaten tijdens de Monmouth-opstand. In de jaren daarna zou de kathedraal opnieuw hersteld worden.

Halverwege de 19e eeuw was een grote restauratie nodig. Ook aan het einde van de 20e eeuw onderging de kathedraal een grote restauratie.