Історія кафедрального собору-базиліки Святих Станіслава і Владислава веде свій початок з XIII століття. Спочатку храм стояв біля підніжжя Замкової гори і, ймовірно носив назву кафедрального собору Міндаугаса. Існує досить цікава теорія, згідно з якою після смерті Міндовга храм був перетворений в язичницьке капище. Потім храм був зруйнований, а згодом, знову реконструйовано великим князем Ягайлом.

Нову будівлю храму було побудовано в популярному тоді готичному стилі, товщина його стін складала 1, 4 метра. Собору Ягайла, однак, теж судилася нелегка доля. Він згорів у пожежі, проте через деякий час був відновлений князем Вітаутасом, на цей раз храм був повністю виконаний з каменя.

Через 100 років після будівництва Кафедрального собору потрібен ремонт, і було прийнято рішення його повністю перебудувати. У 1552 році під керівництвом талановитого архітектора Аннуса розпочалися роботи з реконструкції, однак до кінця довести їх не судилося. Будівля знову було знищено вогнем у пожежі 1530 року. І це був далеко не останній випадок, коли собор страждав від вогню.

Наступна реконструкція собору почалася вже в 1534 році. На цей раз проектом керував запрошений з Риму архітектор Бернардо Заноби. Однак знову не судилося довести справу до завершення. Чергова пожежа 1539 року знову звернув на попіл ще не закінчений собор. Однак до 1545 році склепіння храму були зведені під чуйним керівництвом архітектора Джованні Цини.

Новий собор був побудований в архітектурному стилі ренесансу і завершено вже до 1557 році, проте пожежа 1610 року знову звернув багаторічні труди на попіл. Чергові роботи з реставрації собору затяглися більш ніж на 20 років. Після пожежі почалася чергова перебудова собору, спільно з ним звели каплицю святого Казимира, в якій пізніше були поховані мощі канонізованого святого старця. Однак черговий пожежа 1639 року знову знищив собор, який незабаром був заново відбудований.

У період з 1655 по 1660 року Вільнюс був зайнятий російськими військами, а храм зазнав руйнувань і розграбуванню. Всі роки, що Вільнюс перебував під владою російських військ, храм не діяв. З 1666 року, після закінчення активних бойових дій, почалося відновлення храму під керівництвом відомого італійського архітектора, який відродив храм у стилі бароко.

Через століття храм заново піддався реконструкції, проте в 1769 році його південна вежа завалилась, що знову викликало необхідність його реконструювати. З 1777 року і по 1792 храм був закритий на реконструкцію, яка проходила за проектом Лаурінаса Гуцявічюса. По завершенню реконструкції храм набув класичний стиль. Саме таким його можна побачити і в наші дні.

У 1921 році собору був привласнений титул Базиліки, це зробив папа Бенедикт II. Однак нелегка доля приготувала собору і випробування водою. Найсильніша повінь 1932 року затопило підвали храму, що викликало необхідність проведення капітального ремонту. У 1949 році Кафедральний собор був закритий. Згодом зазнав чергового пограбування, а в 1956 році в храмі почала діяти Картинна галерея і був відреставрований старовинний орган. У 1981 році був відреставрований внутрішній інтер'єр храму, були повернуті картини і предмети церковного начиння.

А 5 лютого 1989 року собор був освячений і повернуто віруючим. На сьогоднішній день це самий головний католицький храм в країні. У підземеллях собору поховані заслужені політичні і релігійні діячі ВКЛ. Собор відкритий для відвідувачів щоденно, крім того, можна відвідати і меси, що проводяться в храмі.