Czas wzniesienia kościoła św. Stanisława w Wilnie nie jest dokładnie określony, według jednej wersji został zbudowany w połowie XIII wieku przez księcia Mendoga po chrzcie Litwy. Według innej - został wzniesiony pod koniec XIV wieku z rozkazu wielkiego księcia litewskiego Jagiełły.
Najprawdopodobniej budowa kościoła św. Stanisława należy do Jagiełły, ponieważ wiadomo, że Mendog został ochrzczony i koronowany w Nowogródku, a konstrukcja prezbiterium (przestrzeń między nawą a ołtarzem) typu "kaplica" w architekturze europejskiej mówi o tym. Ten typ prezbiterium powstał po raz pierwszy w połowie XIII wieku podczas budowy kaplicy Saint-Chapelle w Paryżu na polecenie Ludwika IX. Następnie typ ten rozprzestrzenił się na całą Europę Środkową, a przede wszystkim został wykorzystany w budownictwie zakonów dominikanów i franciszkanów, dzięki którym ten typ prezbiterium utrwalił się w budownictwie średniowiecza, a następnie w połowie XIV wieku rozpowszechnił się w budownictwie świątynnym Wielkiego Księstwa Litewskiego.
Kościół św. Stanisława miał plan kwadratu o wymiarach 22,7 x 22,4 metra. Od wschodu przylegało do niego prezbiterium, zakończone fasetową apsydą (obniżony występ budynku przylegający do głównej bryły, nakryty półkopułą (konchą) lub zamkniętym półsklepieniem). Od strony północnej do prezbiterium przylegała zakrystia (pomieszczenie, w którym przechowywane są przedmioty kultu: szaty kapłańskie, naczynia itp. Na osi symetrii fasady zachodniej stała piętrowa wieża.
Ściany świątyni miały grubość 1,6 - 1,7 metra i były wykonane z kamieni polnych ułożonych poziomo bez warstw cegieł. Podobną technikę murarską można prześledzić w zamkach Krew, Lida i Mednya z początku XIV wieku. Podłoga była wyłożona wielobarwnymi polerowanymi płytkami ceramicznymi o grubości 4-6 cm, ich rozmiary były zróżnicowane: 11 x 11, 12,2 x 12,2, 17 x 17, 19 x 19 cm. Powierzchnia była często zdobiona ornamentami charakterystycznymi dla stylu romańskiego.
Po pożarze w 1419 r. na polecenie wielkiego księcia litewskiego Witolda, w związku z planowaną koronacją, zbudowano trójnawową gotycką katedrę, w której zastosowano gotycką technikę spoinowania z cegieł o dużych rozmiarach. W nowej katedrze prezbiterium nie zostało podkreślone jako niezależna bryła architektoniczna. Cegła została użyta w ościeżach okiennych i wiązaniach, których końce zostały ozdobione ornamentem. (Podobnych cegieł używano w zabytkach gotyku północnoniemieckiego). Całkowita długość wybudowanej katedry wynosiła 52 metry, a szerokość 28 metrów. Wewnątrz znajdowały się filary podtrzymujące, które dzieliły katedrę na trzy nawy. Każda z nich składała się z ośmiu filarów. Taka symbolika liczbowa w chrześcijaństwie oznacza pojęcie wieczności, co odzwierciedla jedną z funkcji katedry jako grobowca książąt litewskich. Po przebudowie kościół św. Stanisława zaczął przypominać majestatyczną rzymską bazylikę, co powinno potwierdzać mit o pochodzeniu wielkich książąt litewskich od cesarzy starożytnego Rzymu.
Budowa odbywała się pod nadzorem samego księcia Witolda. Nawiasem mówiąc, jego portret, jakby obserwujący wszystko, co się dzieje, wisiał po prawej stronie wejścia w pobliżu filaru i towarzyszyły mu napisy w języku łacińskim, które zostały przetłumaczone w następujący sposób: "Dobry dla swoich, straszny dla wrogów, jak wieńce owinięte wokół siebie zwycięstwami, zbudował tę bazylikę". W tej samej katedrze Witold zapisał się do pochówku po śmierci, co nastąpiło w 1430 roku. Został pochowany obok swojej żony, księżniczki Anny Smoleńskiej.
W 1522 r. rozpoczęto remont kościoła i pobliskiej wieży obronnej Zamku Dolnego w celu przekształcenia jej w dzwonnicę. W 1529 r. w niedokończonym jeszcze kościele odbyła się uroczystość intronizacji wielkiego księcia litewskiego, dziesięcioletniego Zygmunta Augusta. W 1530 r. remont przerwał pożar, który objął kościół i znaczną część miasta. Podczas remontu przebudowano kilka starych kaplic i wybudowano nowe. Po przebudowie pod kierunkiem włoskich architektów Giovanniego Ciniego i Bernarda Zanobiego, kościół św. Stanisława zyskał renesansowe cechy stylistyczne. W 1610 roku kościół ponownie spłonął, a jego renowacja trwała do 1632 roku. W tym okresie Wilhelm Pohl był odpowiedzialny za renowację, a katedra nabrała cech barokowych, a w latach 1623-1636 do południowej fasady dobudowano kaplicę św.
Po najeździe rosyjskim w 1655 r. (wojna między Księstwem Moskiewskim a Rzeczpospolitą Obojga Narodów) kościół został ponownie przebudowany pod kierunkiem Jana Wincentego Selvedera.
Kolejny remont miał miejsce po oblężeniu szwedzkim w latach 1701-1702. W 1769 r. południowa wieża na narożniku fasady zawaliła się na kaplicę, grzebiąc pod gruzami sześciu księży.
W 1782 r., według projektu architekta Laurynasa Stuoki-Gutseviciusa, profesora Uniwersytetu Wileńskiego, kościół św. Stanisława został przebudowany w stylu klasycystycznym. Zmiany objęły główną fasadę zachodnią, do której dodano dwie kaplice i sześciokolumnowy portyk. Wszystkie kaplice w katedrze zostały połączone pod wspólnym dachem i ścianami zewnętrznymi. Naprzeciwko kaplicy św. Kazimierza dodano zakrystię z kopułą dla pełnej symetrii. Sklepienia naw zostały na nowo ozdobione. Architekt Stuoki - Guciavičius nie dożył ukończenia renowacji, a po jego śmierci przebudowę kontynuował jego następca Michael Schultz. Prace zakończono w 1801 roku, kiedy to kościół uzyskał ostateczny wygląd, który możemy oglądać dzisiaj.