Zelfs duizend jaar na de bouw ervan geeft de enorme kathedraal de stad nog steeds zijn gezicht en heeft het zijn geschiedenis gevormd. Mainz, op het kruispunt van oude volkswegen, werd vanaf 746/47 het kerkelijk centrum ten noorden van de Alpen met het werk van St. Bonifatius; het kreeg de titel "Heilige Stoel" toen Willigis (975-1011) in Mainz regeerde.
Willigis, aartsbisschop en tegelijkertijd aartskanselier van het Duitse Rijk, legde in 975 de eerste steen van de kathedraal, naar het voorbeeld van de Sint-Pieterskerk in Rome. Zeven koninklijke kroningen hebben door de eeuwen heen plaatsgevonden in de kathedraal van Mainz. Het nieuwe gebouw overleefde echter niet de dag van de inwijding in augustus 1009 - een brand vernielde het gebouw en de kathedraal kon pas in 1036 weer in gebruik worden genomen. Willigis werd daarom begraven in St. Stephen's. Het oudste bewaard gebleven apparaat in de Romaanse zuilenbasiliek dateert uit zijn tijd: de bronzen deurvleugels van het marktportaal. De inscriptie van deze ceremoniële poort verwijst naar de bouwer en de kunstenaar. De kathedraal heeft drie beuken, twee koren en talrijke kapelbijgebouwen. Het westkoor met het hoofdaltaar is opgedragen aan de heilige Martinus, het oostelijk koor aan de heilige Stefanus.
De kathedraal van Mainz is nog steeds omgeven door een bijna volledige reconstructie. De "kathedraalbergen" van roodgekleurde zandsteen, die in de loop der eeuwen zijn gegroeid, vormen een contrast met de Romaanse Gotthardkapel, die in lichtgekleurde steen is opgetrokken en die aartsbisschop Adalbertus vóór 1137 als huiskapel van de aartsbisschoppen heeft gebouwd. Een kruisbeeld uit het Staufer-tijdperk wordt daar bewaard. Ignaz Michael Neumann, zoon van de beroemde barokke bouwmeester Balthasar Neumann, bouwde in 1778/79 de kathedraalhuizen aan de Leichhof. Hij voorzag hen van vuurvaste stenen daken. De kathedraal was in de loop der eeuwen zeven keer verbrand en de angst voor vuur was groot. Na een blikseminslag kreeg de westelijke kruistoren in 1767 een nieuwe torenspits van Neumann, die in zijn vormen verwijst naar de gotische klokkentoren. Ook hier werd het gebouw met steen opgetrokken en niet met hout zoals voorheen.
Het oostelijke koor met zijn meer dan twee meter dikke muren is het oudste deel van de kathedraal. De kruistoren werd gedeeltelijk verwoest door de beschieting van Mainz in 1793 en werd aan het begin van de 19e eeuw herbouwd. Meesterbouwer Georg Moller ontwierp een ronde ijzeren koepel, die later werd verwijderd ten gunste van een historiserend puntdak. De hoofdsteden van het Liebfrauenportal, die rond 1100 door de Lombardische steenhouwers werden gecreëerd, zijn een bijzondere versiering. In de 19e eeuw werd een crypte gevonden onder het oostelijke koor, gebouwd in de stijl van de 11e eeuw. Het laat-Romaanse westkoor werd tussen 1200 en 1239 gebouwd en zijn kruistoren kreeg in de 15e eeuw een gotisch belfort. Het gebeeldhouwde rococo koorgestoelte uit 1767 werd gered van de uitverkoop door bisschop Joseph Ludwig Colmar, die door Napoleon was aangesteld. Het was ook Colmar die de keizer van de Fransen ervan overtuigde om de kathedraal na de secularisatie in 1803 niet af te breken.
Sinds 1928 liggen de bisschoppen begraven in de nieuwe crypte onder het westkoor. Van de 84 bisschoppen en aartsbisschoppen die na Bonifatius regeerden, zijn er 45 begraven in de kathedraal. Veel grafmonumenten uit de 11e tot 20e eeuw zijn bevestigd aan zuilen en muren van de kerk en het klooster. De vaak geïdealiseerde afbeeldingen van kerkelijke hoogwaardigheidsbekleders weerspiegelen de geschiedenis van het bisdom Mainz. Hun volledigheid en goede staat van bewaring maken deze portrettengalerij tot een van de belangrijkste bezienswaardigheden van de kathedraal. Oude wand- en glasschilderijen zijn niet bewaard gebleven. De muurschilderingen in het middenschip zijn uit de vorige eeuw, gebaseerd op ontwerpen van de schilder Philipp Veit, die aan de Nazareners werd toegewezen. Een trekpleister is het Maria-altaar in de Kettelerkapelle met de "mooie Mainz-dame". De laatgotische houten beeldengroep (rond 1510) is de opvolger van de beeldhouwer Hans Backoffen, uit wiens werkplaats drie grafmonumenten in de kathedraal zijn ontstaan. Het klooster uit de 15e eeuw heeft twee verdiepingen. De kanunniken woonden vroeger in de aangrenzende kloostergebouwen. Vandaag de dag herbergt het de bisschoppelijke kathedraal en het bisschoppelijk museum. In de gerestaureerde laatgotische tentoonstellingszalen zijn religieuze kunstschatten uit de late middeleeuwen en de moderne tijd te bewonderen.
