На месте нынешнего храма прежде располагались два других здания: Кафедральный костел святого Вацлава (был построен в 1020 и разрушен чешским князем Бржетиславом в 1038) и освящен в 1142 трехапсидный костел епископа и святого великомученика Станислава (Щепановского). Это здание тоже стала жертвой пожара в 1305, осталась только крипта Святого Леонарда.
Несколько лет позже епископ Нанкер начал строить третий, уже готический храм. Поскольку Краков оставался до 1609 года столицей Польши, кафедральный собор служил одновременно придворным храмом, а в подземных усыпальницах погребены короли Польши.
Вавельский собор был в следующих веках много раз перестроен. Вокруг здания были построены часовни, среди них часовня короля Сигизмунда (Зигмунта), шедевр ренессансной архитектуры, работы итальянского зодчего Бартоломео Береччи (1533).
На колокольне Зигмунта, построенной в XIV веке как часть укреплений Вавельского холма, находится колокол «Зигмунд» — самый известный из колоколов Польши и является национальным символом страны.
28 марта 1931 года собор был внесен в реестр памятников культуры Малопольского воеводства.