Diecezja płocka powstała w 1075 r. i potrzebowała miejsca dla sprawowania kultu. Władysław Herman, który rezydował w Płocku przystąpił do budowy okazałej świątyni. Według przekazu Galla Anonima, w tej katedrze, w uroczystość Wniebowzięcia Najświętszej Maryi Panny w 1100 r., Bolesław Krzywousty został pasowany na rycerza. Katedra została zniszczona przez Pomarzan w czasie najazdu w latach 1126-1127. Wkrótce biskup Aleksander z Malonne przystąpił do budowy kamiennej romańskiej świątyni, którą konsekrował w 1144 r. Wspomnienie tego wydarzenia obchodzone jest 8 listopada. W Magdeburgu biskup Aleksander zamówił do niej okazałe romańskie dwuskrzydłowe drzwi z brązu z bogatym programem ikonograficznym zawierającym Credo apostolorum. Pod koniec XIII w. drzwi zostały skradzione i znajdują się obecnie w soborze Sofijskim w Nowogrodzie Wielkim. W 1981 r. kopię drzwi umieszczono w katedrze.
Po groźnym pożarze z 1530 r. katedrę trzeba było odbudować. Biskup płocki Andrzej Krzycki herbu Kotwicz zatrudnił włoskich architektów: Bernardyna di Zanobi de Gianotis, Jana Cini ze Sieny oraz Filipa z Fiesole. W latach 1531-1534 wzniesiono renesansową katedrę, pierwszą na północ od Alp. Za biskupa płockiego Andrzeja Noskowskiego herbu Łada architekt Jan Baptysta z Wenecji rozbudował znacznie prezbiterium oraz dostawił dwie zachodnie wieże z przedsionkiem i emporą.
Dzięki biskupowi płockiemu Michałowi Jerzemu Poniatowskiemu herbu Ciołek w latach 1784-1787 dokonano kolejnej przebudowy katedry nadając jej wygląd klasycystyczny. W 1825 r. odnaleziono szczątki władców Polski i uroczyście przeniesiono je do kaplicy pod wieżą północną, której nadano nazwę Kaplicy Królewskiej.
Z końcem XIX w. okazało się, że stan świątyni jest katastrofalny. W latach 1900-1903 rozpoczęto gruntowny remont bazyliki pod kierunkiem architekta Stefana Szyllera. Przebudowano wieże, zbudowano na nowo podniesioną o tambur kopułę z latarnią, obniżono teren wokół katedry. Wewnątrz Stefan Szyller zaprojektował stalle, ambonę, ławki, meble do zakrystii, tron biskupi, cztery nowe okazałe ołtarze oraz chór muzyczny, balustrady przy ołtarzach i przy wejściu do prezbiterium, na chórze i kopule oraz zaaranżował otoczenie zabytkowych nagrobków i ołtarzy. Polichromię katedry mineralnymi farbami Keima wykonał Władysław Drapiewski z pomocą Mikołaja Brüchera. Z ramienia kościoła prace te nadzorował ks. ekonom, późniejszy biskup, Antoni Julian Nowowiejski. Rekonsekracji świątyni dokonał biskup Jerzy Józef hrabia Szembek 8 listopada 1903 r. Katedra jako jedna z pierwszy świątyń na ziemiach polskich otrzymała od papieża Piusa X 1 lipca 1910 r. tytuł bazyliki mniejszej. 66-głosowe organy powstały w 1907 roku, oryginalnie w niemieckim Sorau, zbudowane przez firmę Wilhelma Sauera. Przeniesione do Płocka po wojnie, w 1950 r., uzupełnione przez firmę Wacława Biernackiego. Organy o stylistyce romantycznej, traktura pneumatyczna, cztery manuały i pedał.
W czasie II wojny światowej katedrę zbombardowano, zniszczono kaplicę św. Zygmunta oraz ścianę nawy głównej z przedstawieniem ostatniej wieczerzy. Katedrę dla kultu zamknięto zerwano dach i przeznaczono ją na skład mebli. W 1946 r. katedra została ponownie przywrócona dla sprawowania kultu. Przeprowadzono niezbędne prace remontowe. Zamontowano zakupione organy firmy Sauera. 1 lipca 1965 r. bp Bogdan Sikorski erygował parafię katedralną pod wezwaniem św. Zygmunta, pierwszym proboszczem został ks. Stanisław Kutniewski. 7 czerwca 1991 r. katedra gościła papieża Jana Pawła II na nabożeństwie czerwcowym. Kolejnymi proboszczami parafii są ks. prałaci Stefan Budczyński i Wacław Gapiński.
W 2003 r. proboszczem zostaje ks. Janusz Filarski, w tym czasie sfinalizowano przebudowę prezbiterium fundując nowy ołtarz i lektorium. W kolejnych latach 2005-2007, przeprowadzono konserwację Kaplicy Najświętszego Sakramentu, a w latach 2007-2008 renowację dwóch najstarszych ołtarzy z XVII w.: Ukrzyżowania i Matki Bożej Mazowieckiej. Rozpoczęto i zaawansowano gruntowny remont plebanii, który dokończył kolejny proboszcz ks. Marek Zawadzki. Od 2014 r. pod kierunkiem proboszcza ks. Stefana Jana Cegłowskiego, poprowadzono kolejne intensywne prace remontowe, które objęły fronton katedry oraz odwodnienie naw bocznych jak również konserwację okien w prezbiterium. Wewnątrz przeprowadzono kompleksowe prace konserwatorskie w Kaplicy Królewskiej oraz przy ołtarzach Serca Jezusowego i św. Stanisława Kostki. Od 2018 r. rozpoczęto prace konserwatorskie i archeologiczne w Kaplicy Sierpskich, a następnie odremontowano dach i wieże. 20 kwietnia 2018 r. Prezydent Polski Andrzej Duda wpisał Wzgórze Tumskie wraz z katedrą na listę pomników historii, a 25 września 2018 r. miała miejsce w katedrze Msza św. z udziałem kardynałów, arcybiskupów i biskupów obecnych w Płocku na 380. zebraniu plenarnym Konferencji Episkopatu Polski.
Proboszcz
Wikariusz