Često je u fokusu srednjovjekovnog Kaptola bila izgradnja najmonumentalnijeg građevinskog spomenika u doba gotike na području srednjovjekovne Slavonije, a danas jednog od najpoznatijih zagrebačkih, ali i hrvatskih simbola. Uz prekide je gradnja katedrale, ili stolne crkve, trajala puna dva stoljeća, a gradila se u ranogotičkom stilu u vrijeme kada se po Europi dižu gotičke katedrale.
Nakon tatarskog pustošenja zagrebačkog kraja, još je godinama kasnije na Kaptolu stajala stara razorena katedrala koja je bila u upotrebi dok nisu sagrađeni važniji dijelovi nove. Dok je još bila u upotrebi, na njezine je kontrafore sagradio biskup Stjepan sredinom 13. stoljeća, baš nakon odlaska Tatara, ranogotičku kapelicu Sv. Stjepana koja i danas postoji u prostoru južnog krila biskupskog dvora, a smatra se najstarijim arhitektonskim spomenikom na Kaptolu.
Biskup Filip oko 1258. godine od pape traži dozvolu da sruši staru i sagradi novu na povoljnijem mjestu. S gradnjom započinje tek njegov nasljednik, biskup Timotej, pa se tako nova katedrala gradi na prekide od 60-ih godina 13. stoljeća do prvog desetljeća 16. stoljeća. Razlog prekida gradnje uglavnom su bili političke prirode i općeniti nemiri između kralja Stjepana II i češkog kralja Otokara Premysla, a u tim je sukobima stradao i Zagreb. U jednom od prodora kralja Otokara Premysla stradala je i katedrala i prostor oko nje, a tada je stradala i banska palača.
Biskup Timotej je sagradio svetište i sakristiju: prvo srednju apsidu (svetište) 1269. godine, zatim lijevu apsidu (kapelu Sv. Ladislava) i sakristiju 1275. godine, a onda i desnu apsidu (kapelu Marijinu) 1284. godine. Radovi su se odvijali sporo, ali su izvedeni bez dužih prekida. Najstariji dijelovi nove stolne crkve su građeni kamenjem koje je ostalo od stare crkve, i to prema nacrtima crkve Sv. Urbana iz Troyesa u Francuskoj.
Nakon biskupa Timoteja, gotovo jedno stoljeće crkva se sastojala samo od svetišta, apsida i sakristije, a ideju gradnje triju crkvenih lađi pokreće sredinom 14. stoljeća biskup Jakob. Crkvene su lađe gradili tek krajem 14. i početkom 15. stoljeća, i to biskupi Eberhard i Ivan Alben. Za vrijeme biskupa Eberharda se pokreće gradnja sjevernog i južnog zida, kao i pročelja, na čijoj je lijevoj strani uklesan njegov grb – okrunjeni lav u štitu sa šiljcima.
Nadsvođivanje katedrale započinje biskup Osvald Thuz, no on ga zbog smrti ne završava, pa to čini tek njegov nasljednik – biskup Luka Baratin. Biskup Thuz je za te radove pripremio novac kojim je crkva trebala biti u potpunosti završena, pa jedan dio tog novca biskup Luka troši na dovršavanje crkvenih svodova i na pjevalište, a drugi dio na podizanje zvonika – jednog je završio, drugi je ostao nezavršen.
Kako je i za očekivati, nije crkva do danas sačuvala oblik koji je imala u tim vremenima. Posebno se mijenjala u svojoj novijoj povijesti, već početkom 16. stoljeća kada je u građanskom ratu između Ferdinanda i Ivana Zapolje stradala od udara neprijateljskih topova. U tom su napadu stradali pročelje i oba zvonika, dok je krov bio zapaljen. Privremeno je izgrađen novi zvonik, za koji se pretpostavlja da je bio drven, a novi zidani zvonik gradi tek 1644. godine graditelj Ivan Albertal iz Kranjske. U tom je građanskom ratu 1529. godine katedrala ostala i bez krova, koji je vraćen 1590. godine.