Op de plaats van de huidige kathedraal stonden eerder twee voorgangers: de Sint-Wenceslauskathedraal uit 1020 (verwoest in 1038 door de Boheemse hertog Břetislav I) en de in 1142 ingewijde drieschepige romaanse kathedraal met het graf van de heilige bisschop Stanislaus. Deze werd in 1305 door brand verwoest. Alleen de Sint-Leonarduscrypte en het onderste deel van de zuidelijke toren bleven tot de dag van vandaag bewaard. Enige jaren later startte bisschop Nanker de bouw van een gotische kathedraal. De inwijding van de nieuwe kerk vond plaats op 28 maart 1364.

Omdat Krakau tot 1609 de hoofdstad van Polen was en op de Wawelheuvel de koninklijke residentie stond, diende de kathedraal eveneens als hof- en grafkerk van Poolse vorsten.

In de tweede helft van de 14e eeuw werd de Sigismund-klokkentoren als deel van de vesting gebouwd.

Na de middeleeuwen werden aan de kathedraal meerdere kapellen toegevoegd. Op de zuidelijke zijde van de kathedraal bouwde Bartholomeo Berrecci uit Florence in opdracht van koning Sigismund de beroemde Sigismund-kapel (1517-1533). In deze kunsthistorisch belangwekkende kapel bevinden zich de graven van koning Sigismund I, zijn kinderen, koning Sigismund II en zijn vrouw Anna.

In de 17e eeuw werd in de viering van de kathedraal het mausoleum van de heilige Stanislaus opgericht. Delen van de bouw en het interieur werden in de 18e eeuw gebarokkiseerd.

Voor het huidige aanzien van de kathedraal speelde een renovatie in de jaren 1895-1910 een grote rol. Naast de renovatie werden een aantal barokke elementen van de kerk verwijderd. Eveneens werden nieuwe werken toegevoegd zoals de koninklijke en bisschoppelijke sarcofagen, schilderijen, hekwerk en glas-in-loodvensters.