Znajduje się na rozległym Placu Katedralnym (Katedros aikštė) przy ulicy Šventaragio gatvė. W Dolinie Świntoroga (Šventoragio), w czasach pogańskich oddawano cześć najważniejszemu bogowi pogańskiej Litwy, Perkunowi. Katedra stoi więc jako symbol zwycięstwa chrześcijaństwa nad pogaństwem.
Pierwszą, drewnianą katedrę, ufundował król Jagiełło. Zbudowano ją po chrzcie Litwy, który miał miejsce 10 marca 1387 roku. Na początku XIV wieku drewnianą świątynię strawił ogień. Następną wybudowano już w stylu gotyckim, a budowie patronował sam Książe Witold. Świątynię przebudowywano potem wielokrotnie. Podczas burzy w 1769 roku zwaliła się wieża zegarowa, która mocno uszkodziła sklepienie kościoła. Ówczesny biskup wileński Ignacy Massalski zlecił więc architektowi Wawrzynowi Gucewiczowi opracowanie projektu odbudowy katedry.
Odnowiona katedra, już w obecnym kształcie, oddana została wiernym w 1801 roku. Ta klasycystyczna, ceglana budowla ma kształt wydłużonego czworoboku z ośmioma parami filarów wewnętrznych. Fronton jest ozdobiony portykiem opartym na sześciu doryckich kolumnach. Na szczycie katedry umieszczono trzech świętych - św. Kazimierza, św. Stanisława i św. Helenę, patronów Litwy, Polski i Rusi. Figury dłuta profesora Kazimierza Jelskiego zostały zniszczone w 1950 roku przez władze sowieckie. Po odzyskaniu przez Litwę niepodległości na początku ubiegłego stulecia rzeźby zostały zrekonstruowane i znowu wieńczą portyk katedry. W narożnikach katedry stoją przybudówki kaplic i zakrystii. Po obu stronach bazyliki kryte galerie ze stojącymi w niszach gipsowymi posągami dłuta profesora K. Jelskiego: od strony miasta przedstawiają królów z dynastii Jagiellonów, od Wilii zaś jezuickich świętych.
We wnętrzu znajdują się dwa rzędy ośmiu czworobocznych filarów, które dzielą budowlę na trzy jednakowej wysokości nawy i podtrzymują krzyżowo-beczkowe sklepienia, ozdobione rozetami w kasetonach. Katedra wybudowana jest na planie prostokąta o wymiarach około 50x25 metrów. Są tu tylko dwa ołtarze: kanoniczny – z cyborium w kształcie srebrnej arki i wikariacki, który zdobi obraz Franciszka Smuglewicza pod tytułem: „Zamordowanie św. Stanisława przez Bolesława Śmiałego”.
Wewnątrz katedry znajduje się 11 kaplic: św. Kazimierza, św. Marii Magdaleny (Biskupia), św. Ignacego Loyoli, św. Pawła (Montwidowska), Ukrzyżowania Zbawiciela (Gasztołdowska), św. Jana Nepomucena (Czarna, Częstochowska, Zesłańców), św. Władysława (Wojniańska), Królewska (Niepokalanego Poczęcia NMP, Wołłowiczowska), Zwiastowania NMP (Kieżgajłowska), św. Piotra oraz kaplica Grobu Pańskiego.
Najstarszą z nich jest Kaplica Królewska - Wołłowiczowska, założona w 1473 roku. Jej fundatorem był Kazimierz Jagiellończyk. W 1495 roku biskup Tabor udzielił w niej ślubu Aleksandrowi Jagiellończykowi z Heleną, córką Iwana III. Natomiast w 1547 roku Zygmunt August wziął w tej kaplicy potajemnie ślub z Barbarą Radziwiłłówną, wdową po wojewodzie trockim, Stanisławie Gasztołdzie.
Kaplica św. Kazimierza, chroni relikwie pierwszego świętego ziemi litewskiej - patrona Litwy, królewicza z rodu Jagiellonów. Kanonizacja Kazimierza datowana jest na 1602 rok. Właśnie w tym okresie król Zygmunta III Waza rozpoczął budowę kaplicy przy Katedrze Wileńskiej, a zakończył budowę w 1636 roku jego syn, Władysław IV. W 1648 roku na ołtarzu kaplicy w srebrnej trumnie uroczycie zostały złożone relikwie Świętego Kazimierza. Spoczęły tu też serce i wnętrzności zmarłego w Mereczu Króla Władysława IV. Szczątki umieszczono pod mensą ołtarza w specjalnych puszkach ze stopu cynku i miedzi. Po zajęciu Litwy przez Związek Radziecki, katedrę zamieniono najpierw w magazyn, zaś od 1956 roku w Galerię Obrazów. Ołtarze i wejścia do kaplic zostały zasłonięte. Relikwie św. Kazimierza przeniesiono do kościoła św. Piotra i Pawła, pełniącego w owym czasie funkcje kościoła głównego litewskich katolików.
Po zwróceniu Katedry Wileńskiej wiernym w 1989 roku relikwie św. Kazimierza uroczyście były przeniesione na dawne miejsce do kaplicy. Kilkadziesiąt metrów od głównego wejścia do Katedry wznosi się dzwonnica (Arkikatedros varpinė). Osobno stojąca i licząca prawie 60 metrów wysokości została wybudowana na resztkach jednej z baszt Zamku Dolnego. Legenda zaś mówi, że jej fundament, to dawna wieża pogańskiego kapłana Krive-Krivejtė.