На місці нинішнього храму раніше розташовувалися дві інших будівлі: Кафедральний костел святого Вацлава (був побудований в 1020 і зруйнований чеським князем Бржетиславом у 1038) і освячений у 1142 тринавний костел єпископа і святого великомученика Станіслава (Щепановського). Ця будівля теж стала жертвою пожежі в 1305, залишилася тільки крипта Святого Леонарда.

Кілька років пізніше єпископ Нанкер почав будувати третій, вже готичний храм. Оскільки Краків залишався до 1609 столицею Польщі, кафедральний собор служив одночасно придворним храмом, а в підземних усипальницях поховані королі Польщі.

Вавельський собор був у наступних століттях багато разів перебудований. Навколо будівлі були побудовані каплиці, серед них каплиця короля Сигізмунда (Зигмунта), шедевр ренесансної архітектури, роботи італійського зодчого Бартоломео Береччі (1533).

На дзвіниці Зигмунта, побудованій у XIV столітті як частина укріплень Вавельського пагорба, знаходиться дзвін «Зигмунд» — найвідоміший зі дзвонів Польщі і є національним символом країни.

28 березня 1931 собор внесено до реєстру пам'яток культури Малопольського воєводства.