Dawniej katedra była jedynie kościołem biskupim. Papież Pius X dnia 22 II 1907 r. wydał dekret nadający katedrze włocławskiej tytuł bazyliki mniejszej. Od 1947 r. jest ona również kościołem parafialnym.
Pierwszym kościołem katedralnym – od ok. 1123 r. – był kościół grodowy pw. św. Jerzego, zapewne przebudowany i powiększony. Katedra ta otrzymała wezwanie Najświętszej Maryi Panny, pod którym występuje w akcie książęcych darowizn z 1185 r. Na pocz. XIII w. bp Michał herbu Godziemba (1222–1252) wzniósł na niskim brzegu Wisły nową katedrę w stylu romańskim (pod tym samym wezwaniem), która niszczała na skutek częstych wylewów rzeki, a ostatecznie zniszczyli ją Krzyżacy podczas najazdu w 1329 r.
W miejscu zniszczonej przez Krzyżaków katedry biskupa Michała, bp Jakub Sieneński (1464–1474) wzniósł niewielki kościół z tzw. muru pruskiego. Świątynię tę pw. św. Stanisława Biskupa i Męczennika konsekrował w 1474 r. Kościół ten, kilka razy odbudowywany, przetrwał do 1818 r., kiedy to został rozebrany z powodu popadnięcia w ruinę.
W latach 1600–1639 w miejscu dzisiejszego klasztoru franciszkanów na obszernym cmentarzu, na którym do początków XIX w. grzebano zmarłych w czasie „morowego powietrza”, istniał niewielki drewniany kościołek, wzniesiony i uposażony przez Stanisława Romantowskiego. Gdy jego syn, Wojciech Romantowski, w 1639 r. na tym miejscu rozpoczął wznoszenie kościoła i klasztoru dla reformatów, pod tym samym wezwaniem stary kościół przeniesiono na nowe miejsce bliżej miasta.
Na nowym miejscu dawny kościół otrzymał nowe wezwanie św. Wojciecha.
Odbudowano go na nowo w latach 1692–1695. W 1821 r. kościół ten został oddany na użytek miejscowej gminy protestantów. Przetrwał on w użytkowaniu kościoła ewangelicko-augsburskiego do 1881 r., kiedy to zniszczoną już świątynię rozebrano, a na jej miejscu wzniesiono dzisiejszy, murowany zbór ewangelicki.
Obecną, gotycką, trzecią z kolei katedrę rozpoczął budować bp Maciej Pałuka z Gołańczy (1323–1365), wmurowując kamień węgielny 25 III 1340 r. Przed jego śmiercią w 1368 r. ukończono prezbiterium oraz zakrystię. Budowę kontynuował jego następca na biskupstwie, Zbylut Pałuka z Gołańczy (1365–1383). Konsekracji dokonał 13 V 1411 r. bp Jan, sufragan włocławski. Świątynia nie była wówczas jeszcze całkowicie ukończona. W poł. XV w. zasklepiono katedrę i kontynuowano budowę wież. W 1463 r. wzniesiono szczyt zachodni.
Dość szybko bryłę katedry ubogaciły kaplice powstające przy korpusie nawowym.
Około 1503 r. bp Krzesław z Kurozwęk (1494–1503) rozpoczął budowę kaplicy Matki Bożej przy południowej nawie bocznej. W 1508 r. wzniesiono północną kruchtę i przylegającą do niej izbę dla kościelnych. W 1516 r. od strony północnej przy prezbiterium wzniesiono zakrystię klerycką. W 1527 r. murator Maciej Kokoszka zbudował przy kaplicy Matki Bożej kaplicę św. Marcina ufundowaną przez dziekana kapituły Feliksa Naropińskiego. W tym czasie wzniesiono dwuizbowy kapitularz przy południowej wieży. W 1541 r. między nowym kapitularzem a kaplicą św. Marcina wzniesiona została z fundacji biskupa Łukasza Gorki (1538–1542), przez mistrza Leonarda z warsztatu Bernarda de Gianotis, kaplica Zwiastowania Najświętszej Maryi Panny, później nazwana kaplicą Najświętszego Sakramentu, znana pod nazwą „Cibavit”. W latach 1603–1611 Tomasz Nykiel z Pińczowa i Samuel Świętkowicz wznieśli nową, manierystyczną kaplicę Mariacką, którą ufundował bp Jan Tarnowski (1600–1603). W latach 1617–1619 po przeciwnej stronie katedry z fundacji sufraganów biskupów Franciszka Łąckiego (1597–1617) i Baltazara Miaskowskiego (1617–1632) wzniesiono podobną kaplicę pod wezwaniem Zwiastowania Najświętszej Maryi Panny, św. Jana Chrzciciela i św. Franciszka Serafickiego.
W 1676 r. w kaplicy stanął ufundowany przez bp. Kazimierza Floriana Czartoryskiego ołtarz św. Kazimierza i od tego czasu nosi ona takie wezwanie.
W latach 1636–1639 z woli bp. Macieja Łubieńskiego (1623–1641) podwyższono wieże do wysokości 85 łokci i nakryto je baniastymi barokowymi hełmami.
W roku 1686 rozpoczęto kolejną przebudowę wież na koszt bp. Bonawentury Madalińskiego (1681–1691). W 1741 r. bp Walenty Czapski (1741–1751) rozpoczął remont katedry. Odnowiono wówczas zakrystie i wieże, wymieniono tynki, dach pokryto blachą miedzianą.
W końcu XIX w. bp Wincenty Popiel (1875–1883) podjął zamiar nadania katedrze monumentalnego charakteru przez nadbudowanie wież. Zadanie to powierzono krakowskiemu architektowi Tadeuszowi Stryjeńskiemu. Tadeusz Stryjeński przygotował dwa projekty nadbudowy wież oraz projekt wzbogacenia ścian bocznych nawy głównej przez nowy gzyms z cegły profilowanej, zwieńczenie szkarp prostymi fialami i nowe maswerki w oknach.
W 1885 r. przystąpiono do realizacji ośmiobocznej nadbudowy wież, lecz trudności konstrukcyjne sprawiły, że prace musiano przerwać. Tadeusz Stryjeński zrezygnował z dalszego nadzoru nad restauracją katedry. Pracę tę kapituła powierzyła warszawskiemu architektowi Konstantemu Wojciechowskiemu. W oparciu o projekt Stryjeńskiego K. Wojciechowski opracował własną propozycję, którą po uproszczeniach w 1887 r. zaaprobował bp Aleksander Bereśniewicz (1883–1902).
Projekt ten zrealizowano. Wybudowano ponadto szereg nowych kaplic przy nawie północnej oraz kruchtę zachodnią. Nad kaplicami i kapitularzem przy nawie południowej nadbudowano niską kondygnację mieszczącą archiwum. Pod wieżami przebito otwory wejściowe. Wymieniono wewnętrzne tynki ścian i sklepień.
Usunięto z naw bocznych barokowe ołtarze łącznie z marmurowym ołtarzem głównym, który zastąpiono drewnianym ołtarzem neogotyckim. Zakonserwowano stalle kanonickie, skrócone wówczas do 16 miejsc. Przebudowano także chór muzyczny, na którym zainstalowano nowe 32-głosowe organy wykonane przez Jana Szpiegla z Rychtalu. Całości prac dopełniła polichromia wykonana w latach 1900–1902 przez braci Stanisława i Zdzisława Jasińskich z Warszawy.
Podczas działań wojennych w 1918 r. zarekwirowano miedziane pokrycie dachów, które zastąpiono dachówką. W 1920 r. w czasie ostrzeliwania miasta ucierpiały znacznie witraże, dachy, wieża północna, sklepienie prezbiterium i ściany północnych kaplic. Uszkodzenia te szybko naprawiono. W latach 1938–1939 w prezbiterium zamontowano nowe witraże wykonane przez Józefa Mehoffera.
W 1969 r. urządzono nową kaplicę Najświętszego Sakramentu, adaptując na ten cel część zakrystii południowej. W 1970 r. rozpoczęto prace w prezbiterium, z którego usunięto wystrój neogotycki i zrekonstruowano XVI-wieczną artykulację ścian oraz portale prowadzące do zakrystii. W 1975 r. rozpoczęto prace, które doprowadziły do przywrócenia XVI-wiecznego wystroju w kaplicy św. Marcina.
W tym też czasie dachy ponownie pokryto blachą miedzianą. W 1980 r. prowadzono prace konserwatorskie w kapitularzu i kaplicy św. Kazimierza. Odsłonięto także główny portal z profilowanej cegły glazurowanej. W latach 1987–1991 odnowiono polichromię braci Jasińskich.
Po zakończeniu odnawiania polichromii wewnątrz katedry rozpoczęto konserwację architektury zewnętrznej. W roku 2003 przeprowadzono pełną konserwację architektury zewnętrznej renesansowej kaplicy Najświętszej Maryi Panny zbudowanej z fundacji bp. Jana Tarnowskiego (1603–1609). W roku 2005 dokonano konserwacji portalu głównego katedry oraz przeprowadzono konserwację architektury zewnętrznej prezbiterium katedry i dwóch zakrystii. To najstarsza część katedry (1340–1363). W roku następnym wykonano częściowo stronę południową i część ściany zachodniej. W roku 2007 wykonano największe zadania – konserwację ściany głównej katedry wraz z wieżami i całkowitą wymianę blachy miedzianej na hełmach wieżowych. W roku 2009 wykonano konserwację architektury ściany
zachodniej katedry oraz kaplicy św. Kazimierza.
W latach 2007–2010 przeprowadzono konserwację około 65 płyt epitafijnych wykonanych w kamieniu.
W ostatnich latach katedra została ubogacona nowymi spiżowymi drzwiami.
Drzwi główne – pamiątka Wielkiego Jubileuszu Odkupienia – poświęcono w roku 2004. Drzwi do nawy północnej będące pamiątką Jubileuszu Katedry 2011, ukazujące historię chrześcijaństwa na ziemiach polskich poświęcił w roku 2010 kardynał Zenon Grocholewski.
W katedrze włocławskiej są pochowani biskupi kujawsko-pomorscy: Maciej Gołańczewski (1323–1364, pod posadzką zakrystii południowej), Zbylut Gołańczewski (1364–1383, pod posadzką w prezbiterium w okolicy wejścia do zakrystii południowej), Andrzej Oporowski (1481–1483, w murowanym grobie przed dawnym wielkim ołtarzem), Wincenty Przerębski (1503–1513, w dawnej kaplicy Najświętszego Sakramentu), Łukasz Gorka (1538–1542), Paweł Wołucki (1616–1622), Antoni Sebastian Dembowski (1752–1806); biskupi kujawsko-kaliscy w krypcie biskupow: Jan Michał Marszewski (1856–1867), Aleksander Kazimierz Bereśniewicz (1883–1902), Stanisław Kazimierz Zdzitowiecki (1902–1927); biskupi włocławscy: Władysław Krynicki (1927–1928), Karol Mieczysław Radoński (1929–1951), Antoni Pawłowski (1951–1968), Jan Zaręba (1969–1986); biskupi sufragani: Maciej Wielicki (1579–1585), Franciszek Łącki (1597–1617), Baltazar Miaskowski (1671–1632), Jan Dembowski (1759–1788), Karol Pollner (1883–1887), Henryk Piotr Kossowski (1890–1903), Wojciech Stanisław Owczarek (1918–1938), Franciszek Salezy Korszyński (1946–1962).
Kościół pw. św. Witalisa wzniesiono w 1330 r. po spaleniu rok wcześniej romańskiej katedry bp. Michała herbu Godziemba. Do 1411 r. pełnił tymczasowo funkcję katedry włocławskiej. Oddano go później na użytek szpitala katedralnego, którym opiekowała się kapituła.
W latach 1535–1540 na koszt kanonika Tobiasza Janikowskiego wyremontowano cały kościół i wzniesiono sklepienie. Po tym remoncie kościół ponownie konsekrował w uroczystość Wszystkich Świętych 1542 r. sufragan włocławski bp Jan Dziadulski (1540–1546).
Od 1569 r. kościół znajduje się w użytkowaniu seminarium duchownego. W 1717 lub 1742 r. wzniesiona została zakrystia przy północnej ścianie prezbiterium.
W latach 1851–1853 przeprowadzono remont kościoła pod kierunkiem prefekta seminarium ks. Franciszka Płoszczyńskiego i administratora diecezji prałata Michała Marszewskiego. Wówczas naprawiono ściany wewnętrzne, ozdobiono chórek, obito blachą czworoboczną wieżyczkę sygnaturki oraz przełożono pokrycie całego dachu.
W 1888 r. wzniesiono nową, ośmioboczną wieżyczkę sygnaturki ze spiczastym hełmem, wykonaną według projektu Konstantego Wojciechowskiego. W latach 1930–1934 dokonano kolejnego remontu. Utworzono nowy chór muzyczny, wykorzystując część korytarza budynku seminaryjnego oraz odsłonięto częściowo otynkowane mury zewnętrzne.
W czasie II wojny światowej kościół pełnił rolę kaplicy dla żołnierzy niemieckich przebywających w szpitalu, na który zaadaptowano budynki seminarium.
W latach 1971–1972 dokonano gruntownej restauracji kościoła. W trakcie wykonanych wówczas prac wymieniono zmurszałe cegły, zrekonstruowano zewnętrzne elementy dekoracyjne, obniżono posadzkę oraz zmieniono całkowicie wystrój, wprowadzając wyposażenie według projektu prof. Jana Tajchmana. W 2000 r. dokonano restauracji dachu i wieży, zainstalowano nowy dzwon. W roku 2002 odnowiono wnętrze kościoła i założono nową instalację nagłośnieniową. W 2009 r. bp S. Gębicki ufundował nowy ołtarz, który poświęcił bp Wiesław Mering. W tymże roku gruntownie odnowiono również elewację zewnętrzną kościoła.
Chór katedralny. Kiedy w 1888 r. upadła ostatecznie orkiestra katedralna, która od XVIII w. uświetniała nabożeństwa w katedrze włocławskiej, ks. Leon Moczyński utworzył z alumnów seminarium chór, który śpiewał w czwartki na mszy wotywnej o Najświętszym Sakramencie. Wkrótce znalazło się sporo chętnych do śpiewania z miasta. Katedra miała zatem dwa chory: klerycki i chór „mieszany” (chłopięco-męski), które często występowały razem pod nazwą
„Chory katedralne”. Za czasów następcy ks. Moczyńskiego chór opuścił katedrę i zaczął występować w klasztorze reformatów i w kościele św. Jana. W 1918 r. powrócił do katedry.
W 1925 r. nastąpiło definitywne zerwanie z katedrą części choru, która przyjęła nazwę Towarzystwa Byłych Chórów Katedralnych „Lutnia” we Włocławku (przetrwało ono do dziś; ma charakter świecki i występuje jako Rzemieślniczy Chór „Lutnia”). Wobec tego faktu, ks. Andrzej Nodzyński odbudował chór katedralny i kontynuował z nim pracę. W 1938 r. dyrygentem Choru Katedralnego został ks. Tadeusz Guzenda. W latach sześćdziesiątych ks. Guzenda utworzył – obok istniejącego choru męskiego – trzygłosowy chór żeński. Za dyrygentury ks. Zbigniewa Szygendy (1977–1983) powstał chór mieszany z połączenia istniejących chórów: męskiego i żeńskiego. Od 1983 r. dyrygentem czterdziestopięcioosobowego choru jest ks. Józef Nowak. Chór, który w 1988 r. obchodził swoje stulecie, pozostał wierny tradycyjnym śpiewom wielkopiątkowym, wprowadzonym jeszcze przez swego założyciela.
Krzyż przydrożny: przy bloku na ul. Toruńskiej 47.
