Első ismert székesegyháza Géza király idejében épült fel. Ez a templom a mai Géza király téren, a Szent Kereszt tiszteletére szentelt Ferences templom helyén állt. A Tatárjárásban elpusztult, háromhajós templomot a XIV. században újjáépítették, és reneszánsz kápolnával bővítették.
A törökellenes harcok nyomán rommá dőlt ez a templom is, csupán alapjainak apróbb részletei maradtak ránk, ezért a mai Fehérek temploma helyén álló Szent Mihály-templom lett a püspöki templom. A hívek nagy száma miatt sokszor kellett bővíteni, nagyobbítani, míg Eszterházy Károly püspök elhatározta, hogy új székesegyházat épít. 
 Az osztrák Franz Anton Pilgramot kérték fel a székesegyház tervezésével. A tervben egy díszes, későbarokk, kéttornyú templom állt, mely a római Szent Péter-Bazilikához hasonlóan oszlopos kőkolonáddal csatlakozott volna a téren álló egyházi intézményekhez, a papneveldéhez és a Püspöki Palotához (ezek szintén ebben az időben épültek).
Eszterházyt Egerbe hívták püspöknek, a váci püspök Migazzi Kristóf lett, akinek kevésbé nyerték el tetszését Pilgram tervei. Az építkezés azonban már megkezdődött az alapokat lerakásával. Migazzi a Párizsban tanult, olasz építészt Canavale Isidore-t kérte fel, hogy az 1761-ben lerakott alapokra tervezzen egy, az eredetinél jóval kevesebb költséget kívánó székesegyházat. A művezető Oswald Gáspár piarista szerzetes, aki egyébként a kecskeméti Nagytemplom tervezője is egyben. Az építkezés a jó anyagi háttér miatt igen gyorsan haladt, így 1772-ben sor kerülhetett a felszentelésre. Berendezése 1777-ben készült el. 1944-ben a szovjet katonák bombája eltalálta a templomot és belefúródott a mennyezetbe, de szerencsére nem robbant fel. Takács István freskón örökítette meg e csodát a kereszthajóban.
Maga az épület a forradalmi építészet talán egyetlen magyarországi példája, mely követőket nem talált. Zömében a klasszicizmus jegyei figyelhetők meg rajta, de a főhomlokzati oszlopcsoport, az ezek fölött lévő szobrok és a lanterna még a barokk szellemiségét tükrözi. 
A székesegyház külső hossza 72 méter, szélessége 34 méter, kupola 55 méter magas. A süveg nélküli, kőbábos korláttal záródó tornyok 38 méter magasak. A homlokzat előtti, oszlopokat közrefogó tornyok háromszintesek. Az elsőn a lépcsőház, a másodikon a harangok, a harmadikon a tűzzománc, három és fél méteres számlapú, fekete alapon aranyozott, római számokkal ellátott, ütős toronyóra foglal helyet. A toronyórát az Első Magyar Toronyóragyár készítette. A szinteket széles párkányzat választja el egymástól. A toronyablakok téglalap alakúak.  A tornyok kőbábos korláttal zárulnak. Ugyanilyen kőkorlátot figyelhetünk meg a tornyok közti mellvéd tetején. A templomhajóba, illetve az egyenes záródású szentélybe a három-három oldalsó, impozáns méretű, félköríves ablak engedi be a fényt. A szentély két oldalán áll a sekrestye és a Mária-kápolna, ezek ablakai szegmensívesek. A már messzi távolból feltűnő, dob nélküli kupola a szentély fölötti részen kontyolt nyeregtetővel csatlakozik az épület sima, díszítésmentes falához. Zárt, félköríves üvegablakokkal áttört lanternáján nagyméretű toronygömb és kereszt magasodik. 
A székesegyház belseje felé haladva, meglehetősen szokatlan, érdekes elrendezésű oszlopsoron át jutunk a kapuhoz. A korinthoszi díszítésű oszlopok két sorban helyezkednek el, mindkét sorban hat oszlop van.  Az oszlopok fölött olvashatjuk, hogy a székesegyházat Szűz Mária és Szent Mihály arkangyal tiszteletére szentelték. Még feljebb a D. O. M. rövidítés olvasható, egy latin nyelvű idézet rövidítése: „Deo optimo maximo”, mely magyarul így hangzik: „Istennek, a legnagyobbnak”. Az oszlopcsarnok tetején hat apostol szobrát láthatjuk. Az oszlopcsarnokban az építtető, Migazzi Kristóf neve, illetve az alapkőletétel és a felszentelés évszáma olvasható az ajtók fölött. A főbejárat fölött az egyház alapítását ábrázoló dombormű, a bal oldali kapu fölött a „Krisztus kiűzi a kufárokat a templomból”, a jobb oldali fölött az „Engedjétek hozzám a kisdedeket” című, kör alakú domborművet láthatjuk.
 A berendezés, illetve a falak freskói későbarokk stílusúak. A bejárat felett húzódik a hat korinthoszi oszlopon nyugvó kórus, melyen a jelentős hangversenyek hangszeréül szolgáló orgonát láthatjuk. Az orgonakarzat felett borda nélküli keresztboltozat, majd impozáns kupola, diadalív, ismét keresztboltozat, illetve a szentély fölé boruló félkupola fedi a belsőt. A falakat az egész teremben korinthoszi féloszlopok kísérik. A Dóm alatt altemplom húzódik,  püspökök, kanonokok és világiak nyugszanak. Teljes felújitása 2024-ben történt.