Planritning från 1897. Kyrkans tornspira. Plåtslagare på Storkyrkans tak, 1903.

År 1279 nämnde riddaren Johan Karlsson i ett testamente "Stockholms Stora Kyrka". Den byggnad som avsågs var den så kallade bykyrkan, byggd i trä på Stadsholmens högsta punkt. Länge var "bykyrkan" eller Sankt Nicolai kyrka den enda församlingskyrkan i Sankt Nicolai församling och därmed i Stockholm. Församlingen bröts ut ur Solna församling omkring 1260. Församlingen och dess kyrka uppkallades efter Sankt Nicolas, vilken var sjöfararnas skyddshelgon. Det föll sig naturligt då många tysk-romerska köpmän bebodde den medeltida hansastaden Stockholm.

Storkyrkan har byggts om och utvidgats åtskilliga gånger. Rester av den första 1200-talskyrkan kan spåras i tornets norra mur. Brandspår tyder på att denna tidiga kyrka har eldhärjats innan en treskeppig kyrka invigdes 1306, av vilken det finns spår i de nuvarande fyra västligaste travéerna. Omkring 1340 uppfördes i samband med om- och tillbyggnad ett kvadratiskt kapell, Vårfrukapellet, på kyrkans södra sida. Det täcktes av fyra kryssvalv kring en mittpelare och var tillägnat Jungfru Maria. Senare på 1300-talet tillfogades två helgonkapell på nordsidan vid andra och tredje travén från väster, och kort därpå ännu ett väster om dessa.

Den största utbyggnaden skedde i början av 1400-talet. Kyrkan utvidgades med fem travéer österut, varav den östligaste med polygonal avslutning utgjorde kyrkans kor. Det byggdes även åtta sidokapell, fyra i norr och fyra i söder. Sannolikt byggdes även under denna period en förhall väster om Vårfrukoret. Omkring 1420 om- och påbyggdes västtornet, och därefter uppfördes det södra tornkapellet. Dessutom tillkom ett kapell i långhusets sydvästra hörn. Under slutet av 1400-talet slogs flera av sidokapellens mellanväggar ut, kyrkan höjdes och fick större fönster. Därmed bildades den femskeppiga hallkyrkoform bevarats sedan dess. Tornet byggdes högre, och på dess norra sida tillkom en kapellanläggning liknande den som tidigare uppförts i söder.

Vid denna tid tillkom även Bernt Notkes skulpturgrupp Sankt Göran och draken, baserad på Sankt Görans-legenden. Skulpturgruppen är relikvarium; vid skulpturens invigning 1489 överlämnades en samling benbitar från helgonen S:t Göran, S:t Blasius, S:t Germanus, S:t Leo, S:t Martinus, S:t Donatus och S:t Cyriacus av en påvlig nuntie vid namn Antonius Masth. Dessa placerades inne i S:t Görans bröstkorg i en fyrdelad relikgömma.

Under 1520 och våren 1521, inför Kristian II:s kröning i Storkyrkan, byggde eventuellt Adam van Düren halva den södra kapellraden. Kanske förstärktes pelarna i den sydöstra delen när vinden inreddes för försvarsändamål. En av pelarna är den så kallade Ålpelaren, med en relief där två lejon tampas med en ål, som är gjord av Adam van Düren.[1]

Under reformationen blev Sankt Nicolai kyrka enligt uppgift år 1527 "från Papistisk vidskepelse renad", enligt den stora inskriptionen från 1780-talet på kyrkans östra fasad. Kungen lät av försvarstekniska skäl riva det polygonala koret och Vårfrukorets mellanväggar.[2] Den svenska kyrkans tidige reformator Olaus Petri står staty med inskription utanför kyrkans nuvarande korvägg, mot Slottsbacken till.

Predikstolen och två kungsstolar från 1680-talet är skulpterade av Burchardt Precht efter Nicodemus Tessin d.y.s anvisningar. Under Johan III:s tid försvann de kvarvarande innerväggarna, och sakristior inreddes i tornkapellen. Kyrkans yttermurar sänktes och strävpelarna tillkom.

Under stadsarkitekt Johan Eberhard Carlbergs ledning, 1736–1742, förändrades exteriören från medeltid till barock för att harmoniera med slottet. Vid slutet av 1700-talet sökte man genom diverse tillbyggnader anpassa kyrkans arkitektur till Börshusets. Bland annat tillkom Konsistorii trapphus, trappan till prästeståndets kammare och domkapitlets (konsistoriets) sammanträdeslokal, ritad av Erik Palmstedt 1778. I samband med kyrkorummets restaurering 1903–1908 under ledning av Ernst Stenhammar togs valvbågarnas röda tegelytor fram, i ett försök att återskapa ett medeltida utseende. Samtidigt togs Vårfrukorets 1300-talsmålningar fram.

På den öppna planen söder om kyrkan, åt Börshuset till, byggdes 1767 begravningskapell och vagnbod, efter arkitekt Erik Palmstedts ritningar.

Den 2 juni 1927 avtäcktes en minnestavla över Johan Olof Wallin i Storkyrkan, som utförts av Christian Eriksson.[3]