Prva cerkev na tem mestu je stala že v 13. stoletju. Zgradili so jo leta 1262 čolnarji in ribiči, ki so živeli v tem delu mesta in jo posvetili svojemu zaščitniku svetemu Nikolaju. Prvotna cerkev je bila verjetno triladijska romanska bazilika s tremi apsidami.
V 15. stoletju je bila cerkev gotizirana. Leta 1461 je bila pri cerkvi ustanovljena ljubljanska škofija. Ustanovno listino je izdal cesar Friderik III. v zahvalo Ljubljančanom, ki so mu pomagali premagati celjske grofe. Sedanja stolna cerkev sv. Nikolaja je bila zgrajena na začetku 18. stoletja. Glavna pobudnika za zidavo nove stolnice sta bila brata Janez Anton in Janez Gregor Dolničar, najbolj zaslužna člana Akademije operozov za razvoj likovne umetnosti v Ljubljani. Po bratih Dolničar je dobila ime ozka uličica, ki tik ob cerkvi povezuje Pogačarjev trg z Vodnikovim. Akademija je zaupala izdelavo načrtov nove stolnice enemu tedanjih najpomembnejših rimskih arhitektov jezuitu Andreu Pozzu. Ta je načrte zasnoval po zgledu Vignolove rimske cerkve Il Gesu kot enoladijsko obokano dvorano s prečno ladjo, s stranskimi kapelami ob njej in emporami nad njimi ter z ravno zaključenim prezbiterijem. Na križišču je Pozzo projektiral kupolo kot glavni poudarek. Bistvena novost nove cerkve je bila poleg kupole iluzionistična poslikava cerkvene notranjosti, ki odpira cerkveni prostor navzgor v nebo. Po Pozzovih načrtih sta zidavo cerkve vodila kamnosek Franc Bombasi, po rodu Benečan, in Milančan Peter Janni. Kot pomočnik je sodeloval zidarski mojster Jugovic, po njegovi smrti pa Gregor Maček, ki se je tu izučil za samostojnega stavbarja. Cerkev so pričeli graditi leta 1701 in je bila v zelo kratkem času končana. Leta 1707 je bila cerkev slovesno posvečena ob navzočnosti odličnih gostov in številnih predstavnikov plemstva. Sedanjo kupolo je postavil skoraj 150 let pozneje stavbenik Matej Medved po načrtih inženirja Benedikta Mullerja. Stolnica je bila do danes večkrat prenovljena. V letih 1969 in 1971 so po načrtih arhitekta Antona Bitenca preuredili prezbiterij ter obnovili glavni in stranski vhod. Ljubljanska stolnica predstavlja ključni spomenik baročne dobe v Ljubljani kot pomembna kiparska, slikarska in arhitekturna celota.
Od dopolnitev so izjemna glavna vzhodna vrata, ki predstavljajo zgodovino Slovenije in jih je naredil kipar Tone Demšar ob 1250-letnici krščanstva ter stranska vrata s portreti škofov, ki so delo kiparja Mirsada Begića.