Původní hrad údělných knížat z rodu Přemyslovců byl stavebně upraven po požáru roku 1204. Zůstala zachována spodní část společně s půdorysem kaple sv. Barbory a románská okna, která jsou považována za unikát. Ve druhé polovině 14. století přistavěna kaple sv. Jana Křtitele a tzv. rajský dvůr.  Východní křídlo bylo zcela přestaveno v období gotiky a baroka zcela přestavěno. 
Biskup Jindřich Zdík do paláce situoval duchovní učiliště pro výchovu a vzdělávání budoucích kněží.  4. srpna 1306 byl zde zavražděn Václav III., poslední muž rodu Přemyslovců.
Nyní je součástí Arcidiecézního muzea.

Historie

Katedrála (z lat. cathedra), také katedrální kostel, označuje hlavní kostel diecéze, sídelní kostel biskupa. Uvedené označení užívá katolická církev, ale i církve anglikánské a některé protestantské. Pokud má biskup sídelní kostely dva, druhý z nich je označován jako konkatedrála, v České republice je pouze v Opavě, diecézi ostravsko-opavské. 
Architektura užívá pojem katedrála pro konkrétní typ gotického kostela (viz. gotická katedrála). Označuje nejen kostel biskupský, ale i klášterní kostel některých mniškých řádů, zejména benediktinů či cisterciáků.

Časové mezníky katedrály sv. Václava

1063 – zřízení olomouckého biskupství českým knížetem Vratislavem u kostela sv. Petra na Předhradí  

před 1107 – počátek románské stavby kostela na východním návrší tzv. Olomouckého kopce (226 m n. m.) v bezprostředním sousedství přemyslovského hradu, u počátku stavby kostela stál olomoucký údělný kníže Svatopluk z vedlejší větve přemyslovského rodu 

1131 – 30. června byl dosud nedokončený románský kostel posvěcen olomouckým biskupem Jindřichem Zdíkem; chrám byl zasvěcen patronu české země – sv. Václavu; původní stavba byla trojlodní románská bazilika, kterou rozdělovalo asi 6 dvojic čtyřbokých pilířů, na východě byly lodě zakončeny půlkruhovými apsidami, stropy byly ploché dřevěné, pod vyvýšeným presbytářem ve střední lodi se nacházela krypta sv. Vojtěcha, na západní straně kostela se nacházelo průčelí s dvěma věžemi, celkové rozměry kostela činily asi 50x20 metrů 

1141 – přenesení biskupského sídla od kostela sv. Petra ke sv. Václavu, který se tak stal metropolitním (hlavním) moravským chrámem, olomoucký biskup měl tedy církevně-právní pravomoc nad celou Moravou; biskup Zdík se přestěhoval spolu s nově zřízenou 12člennou metropolitní kapitulou do sousedního románského biskupského paláce, kde fungovala také katedrální škola, skriptorium, kapitulní knihovna a archiv (torzo biskupského neboli Zdíkova paláce jakožto jediného románského paláce ve střední Evropě je zachováno dodnes, palác je přístupný z Arcidiecézního muzea)    

1204 – požár kostela; poté kostel přestavěn biskupem Robertem v románsko-gotickém slohu  

1207 – olomoucká kapitula získala právo svobodné volby biskupa  

1265 – požár kostela; poté nechal olomoucký biskup Bruno ze Schauenburku vystavět  na původním románském půdorysu raně gotické síňové trojlodí a přistavět pravoúhlý presbytář (kněžiště), románská krypta a západní průčelí kostela zůstaly zachovány, na severní straně byla přistavěna kapitulní síň (později se z ní stala vikářská sakristie)

70. léta 13. století – snaha biskupa Bruna a českého krále Přemysla Otakara II. o povýšení olomouckého biskupství na arcibiskupství   

1306 – v sousedním domě olomouckého kapitulního děkana (na místě dnešního Arcidiecézního muzea) byl zavražděn poslední Přemyslovec Václav III., který byl dočasně pohřben v kryptě kostela sv. Václava (do r. 1326)  

14. století – katedrála dostavována a upravována v gotickém slohu: na severní straně kostela, v místě původního románského paláce byla vybudována gotická křížová chodba (ponechány obvodové zdi paláce) s řadou nástěnných maleb vánočního a velikonočního cyklu (zachováno dodnes), na jižní straně lodi pak byla postavena gotická kaple původně zasvěcená sv. Cyrilu a Metoději 

1469 – 3. května část české a moravské šlechty a zástupci měst prohlásili v kostele sv. Václava uherského krále Matyáše Korvína za krále českého 

1504-1516 – zřejmě nerealizovaná stavba pozdně gotického presbytáře za biskupa Stanislava Thurza, stavba nové biskupské rezidence v místě dnešního Arcibiskupského paláce na Předhradí 

1582-1591 – biskup Stanislav II. Pavlovský nechal postavit pozdně renesanční kapli sv. Stanislava s rodinnou hrobkou umístěnou pod touto kaplí 

1589-1595 – tentýž biskup nechal přestavět západní průčelí kostela s věžemi     

1617 – přestavba původně gotického kostela sv. Anny v raně barokním (manýristickém) slohu, ve které zpravidla probíhala volba olomouckých biskupů a později arcibiskupů     

1616-1618 – nechal kardinál František Dietrichštejn vystavět monumentální ranně barokní presbytář (největší barokní presbytář na území ČR) s trojlodní kryptou přístupnou po dvouramenném schodišti, pod kterou se nachází pohřebiště olomouckých biskupů; celková koncepce barokní přestavby hlavního moravského chrámu však zůstala nerealizována     

17. století – do presbytáře pořízeny vyřezávané štály čili chórové lavice 

18. století – v severní části byla přistavěna barokní kanovnická sakristie; pod lodí kostela byly vybudovány dvě barokní krypty; barokizována pozdně renesanční kaple sv. Stanislava; původní gotická kaple sv. Cyrila a Metoděje byla barokizována a zasvěcena Panně Marii Loretánské     

1777 – olomoucké biskupství bylo povýšeno na arcibiskupství; prvním arcibiskupem se stal kardinál Antonín Theodor Colloredo-Waldsee (1777-1811); moravskému metropolitnímu chrámu jsou podřízena biskupství: brněnské (od 1777) a ostravsko-opavské (od 1996)   

1803 – požár kostela po zásahu bleskem: zničeno západní průčelí a zvony; poté klasicistní úprava 

1883-1892 – katedrála působící stylovou roztříštěností byla přestavěna na základě přímých pokynů arcibiskupa Bedřicha kardinála Fürstenberka do novogotické podoby (realizoval stavitel Gustav Meretta); vzniklo nové západní průčelí katedrály se dvěma věžemi (68 m) a třemi vstupními portály, byla postavena bezmála 102 m vysoká jižní věž (nejvyšší kostelní věž na Moravě) v jejímž přízemí se nachází kaple sv. Jana Křtitele (s náhrobky arcibiskupů), nad ní pak arcibiskupská oratoř; byla postavena severní kaple sv. Cyrila a Metoděje zvaná též chórová (katedrála tak tvoří půdorys kříže); interiér katedrály prošel regotizací: zejména pak barokní presbytář, v celém kostele byly odstraněny barokní oltáře a nahrazeny menším počtem novogotických, byly pořízeny novogotické vitráže, provedeny kovářské a zámečnické práce, na hlavní oltář byly umístěny mramorové sochy východních církevních Otců z 15. století (pocházející z římské baziliky S. Maria Maggiore)

1886 – firmou Rieger z Krnova byly postaveny varhany v chóru nad hlavním vstupem (3120 píšťal)   

1962 – katedrála sv. Václava v Olomouci byla zařazena na seznam národních kulturních památek 

70. léta 20. století – oprava i obnova interiéru i exteriéru katedrály 

1974 – do chórové kaple byl umístěn pozdně gotický reliéf Panny Marie Ochranitelky z konce 15. století 

1977 – byla zhotovena křížová cesta akademickým sochařem Karlem Stádníkem a postaveny nové varhany v presbytáři krnovskou firmou Rieger-Kloss z Krnova (1695 píšťal)     

1980 – ve vstupu osazeny žulové desky se seznamem olomouckých biskupů a arcibiskupů 

1981 – pořízen nový obětní stůl; překryta střecha katedrály novou břidlicovou krytinou 

1999-2001 – 1. etapa generální opravy: oprava západního průčelí a obou věží 
2004-2005 – 2. etapa generální opravy: oprava zdiva severní strany lodí, presbytáře a sakristií, oprava krovů, vitráží, ozdobného hřebene, restaurování západního průčelí
2006-2008 – 3. etapa generální opravy: oprava hlavní věže, očištění jižní stěny zdiva lodí, vnější plášť kaple sv. Stanislava, doplnění zvonů, sadové a terénní úpravy okolí  

2009-2010 – opravy interiéru katedrály: elektroinstalace, restaurování fresek v kaplích, mobiliáře a vybraných sbírkových předmětů (obrazů, soch a textilií), oprava barokní krypty, restaurování rakví a zřízení Mauzolea olomouckých biskupů s laskavým přispěním Norských fondů