Na miejscu obecnej katedry gotyckiej, zbudowano w roku 968 pierwszy kościół katedralny p.w. św. Piotra, murowany z okrzesków martwicy łąkowej i granitu, tynkowany, dł. około 48 metrów. Badania archeologiczne przeprowadzone w 1946 roku odsłoniły liczne fragmenty pierwotnej katedry poznańskiej, co pozwala ustalić, iż wzniesiona została jako bazylika trójnawowa z prezbiterium zamkniętym absydą, z zachodnim masywem wieżowym, mieszczącym dwudzielną emporę, wspartą na okrągłym filarze. Posiadała atrium, w którym odkryto relikty płyty z zaprawy wapiennej, tzw. misy chrzcielnej i krypty grobowe, identyfikowane przez badaczy jako prawdopodobne groby monarsze: księcia Mieszka I i króla Bolesława Chrobrego. Odkryte relikty archeologiczne zabezpieczone metodą elektropetryfikacji można oglądać w kryptach (wybudowanych w latach 1950-1955 i odrestaurowanych w roku 1997).
Po zniszczeniu preromańskiej świątyni (w latach 1034-1038), powstaje nowy kościół katedralny, murowany z kostki granitowej, z detalem architektonicznym z piaskowca i granitu, pokrywający się w znacznej mierze z fundamentami pierwszej katedry. Odkryte liczne elementy tej budowli romańskiej z II połowy XI wieku świadczą o wysokiej kulturze jej inwestorów i budowniczych.
Katedra romańska, przebudowana w XIII wieku, zastąpiona została gotycką, wzniesioną w XIV i XV wieku. Była to budowla okazała, z nowym prezbiterium z piękną galerią tryforyjną, ambitem i wieńcem kaplic. Strawił ją pożar w roku 1622, zostawiając nagie mury świątyni z przepalonymi sklepieniami.
Po pożarze w roku 1772 katedra otrzymała nowy wystrój wnętrza i elewację w stylu neoklasycznym, dzieło architekta Efraima Schroegera, przebudowaną następnie przez Solariego w końcu XVIII wieku i tak przetrwała do drugiej wojny światowej.
Ostatni pożar katedry 15 lutego 1945 roku 22, powstały podczas prowadzonych walk o Ostrów Tumski zniszczył ją w 65%. Ocalał jedynie wieniec kaplic, częściowo uszkodzonych. Zniszczenie świątyni i podjęte prace przy odbudowie katedry odsłoniły jej gotycki elementy, co przemówiło za tym, by podjąć szczęśliwą decyzję regotyzacji katedry.
Główny trzon odbudowanej katedry zachował wszystkie cechy gotyckiej budowli z I połowy XV wieku: frontową ścianę z nowym szczytem i dwie wieże z masywnymi skarpami, zakończone odtworzonymi późnobarokowymi zwieńczeniami i hełmami z roku 1729, pokrytymi blachą miedzianą. W wieży południowej między skarpami zachował się znaczny fragment muru romańskiego, na którego fundamentach stanęła późniejsza katedra gotycka. W odkrytym w czasie odbudowy wysokim oknie na ścianie szczytowej zachowała się oryginalna rozeta gotycka, którą obecnie wraz z całym oknem wypełnia witraż – dzieło prof. Taranczewskiego. Pod oknem znajduje się portal gotycki ozdobiony pasmami kostek glazurowych i nieglazurowych, ułożonych na przemian, z brązową bramą z przedstawieniami z życia św. Piotra (widoczne z zewnątrz) i św. Pawła (od wewnątrz katedry), wykonany w latach 1976-1980.
Boczne elewacje świątyni stanowią wysokie ściany nawy głównej i prezbiterium ze stromym dachem krytym miedzią, z gotyckimi oknami o głębokim rozglifieniu, zamkniętym dwiema wieżami frontowymi od zachodu i uwieńczonymi trzema barokowymi wieżyczkami – latarniami od strony wschodniej. Nad płaskim dachem naw bocznych widoczne są od strony południowej i północnej rzadkie w polskim budownictwie kościelnym łuki przyporowe. Niżej drugi dach pokrywa wszystkie kaplice, otaczające wieńcem nawy boczne i ambit kościoła, które odbudowano w stylu barokowym (z wyjątkiem Złotej Kaplicy).
Nawa główna wraz z prezbiterium, ambitem i Złotą Kaplicą o długości 72 metrów i 36 metrów szerokości z bocznymi nawami i kaplicami), posiada ściany wylicowane cegłą gotycką z pozostałością ciosów z piaskowca, które zachowały się prawdopodobnie z katedry romańskiej (dwa pierwsze filary od strony północnej). Ściany nawy wiąże zrekonstruowane sklepienie gwiaździste. Prezbiterium wzbogaca i wyróżnia ażurowy wieniec tzw. „tryforium”, motyw otwartych arkad o trzech wąskich oknach, za którymi wzdłuż ścian biegnie galeryjka. Okna w prezbiterium wypełniają witraże z wizerunkiem N. Maryi Panny, Matki Kościoła, Patronów bazyliki archikatedralnej oraz sceny związane z dziejami Polski i miasta Poznania.
Prawdziwym klejnotem katedry jest wielki ołtarz – poliptyk, dzieło wybitnych mistrzów śląskich z przełomu XIV-XV wieku, pochodzący prawdopodobnie z warsztatu wrocławskiego. Ołtarz główny pochodzi z kościoła farnego z Góry Śląskiej i przedstawia w centrum Matkę Boską w otoczeniu św. Katarzyny i św. Barbary oraz 12 innych świętych niewiast. Na zewnętrznych skrzydłach ołtarza jest osiem obrazów ukazujących Mękę Pańską. Pod główną wnęką ołtarza jest predella, gdzie umieszczono postacie Chrystusa i dwunastu apostołów podczas Wieczerzy Pańskiej. Wyposażenia w nawie głównej dopełniają wybitne dzieła baroku: ambona z 1720 roku i chrzcielnica, a także gotyckie stalle w prezbiterium. W posadzce nawy głównej z okazji Wielkiego Jubileuszu Chrześcijaństwa Roku 2000 wmurowano płytę z brązu upamiętniającą Biskupa Jordana – pierwszego biskupa Polski.
