Pod ich kierunkiem w latach 1531–1535 wzniesiono trójnawową bazylikę z centralizującą częścią wschodnią, wzorowaną na rzymskich bazylikach przełomu XV/XVI w., zwłaszcza na kościele augustianów (Sant’Agostino). Do budowy użyto granitowych ciosów z rozebranej katedry romańskiej. Była to pierwsza renesansowa katedra na północ od Alp, zaprojektowana zgodnie z teoretycznymi założeniami Francesca di Giorgio Martiniego i Leonarda da Vinci. Około roku 1560 na polecenie biskupa Andrzeja Noskowskiego architekt Jan Baptysta z Wenecji znacznie rozbudował prezbiterium katedry i dostawił dwie ceglane wieże zachodnie. 1787–1789 – biskup płocki Michał Poniatowski, rodzony brat króla Stanisława Augusta przebudował zachodnią fasadę katedry, dostawiając klasycystyczny, kolumnowy portyk (rozebrany ok. 1900). 1825 – szczątki władców Polski – Władysława Hermana i Bolesława Krzywoustego zostały przeniesione spod posadzki w prezbiterium do sarkofagu w kaplicy pod północną wieżą, zw. odtąd „Kaplicą Królewską”. 1901–1903 – gruntowna renowacja i przebudowa świątyni według projektu architekta Stefana Szyllera, który przywrócił katedrze XVI-wieczny charakter. 1904–1916 – powstanie katedralnej polichromii autorstwa Władysława Drapiewskiego 1910 – papież Pius X nadał katedrze tytuł bazyliki mniejszej 1939 – wybuch II wojny światowej.