Wzniesiona została z granitowych ciosów w stylu romańskim w latach 1130-44 przez biskupa Aleksandra z Malonne w miejsce starszej, drewnianej zniszczonej przez Pomorzan podczas najazdu w 1126 r. Wielokrotne przebudowy sprawiły, że prezentuje obecnie elementy trzech stylów: romańskiego, gotyckiego i renesansowego. Gotyckie wieże katedry powstały na przełomie XIII i XIV w. Do obecnej wysokości zostały obniżone w 1492 r. Znajdujące się w nich dzwony przeniesiono wówczas do wieży zamkowej. Po pożarze w 1530 r. nastąpiła renesansowa przebudowa kościoła pod kierunkiem pochodzącego z Rzymu włoskiego architekta Bernardo di Zanobi de Gianotis przy współpracy z Janem Cini ze Sieny oraz Filipem z Fiesole. Po 1556 r. prace kontynuował słynny Jan Baptysta z Wenecji.
W czasie kolejnej przebudowy – tym razem barokowej w latach 60-tych XVII w. – wieże ozdobiono charakterystycznymi baniastymi hełmami. W wieku XVIII Dominik Merlini dokonał zmian w duchu klasycyzmu, które dotyczyły przede wszystkim frontonu katedry. Obecną postać nadano bazylice w wyniku największej w jej dziejach przebudowy prowadzonej pod kierunkiem prof. Stefana Szyllera w latach 1901-03. W czasie prac renowacyjnych i rekonstrukcyjnych odkryto i zabezpieczono stare elementy architektoniczne, wmurowując je w specjalnie przygotowane nisze budynku Muzeum Diecezjalnego.
Wejście główne świątyni, obramowane jest portalem arkadowo-kolumnowym. Umieszczony nad nim tympanon wykonał w 1902 r. prof. Pius Weloński. Przedstawia on ofiarowanie przez biskupa Jerzego Szembeka odnowionej katedry Matce Bożej Mazowieckiej. Wejścia boczne obramowują ciekawe neoromańskie portale, których części górne wypełniają charakterystyczne tympanony. Do najpiękniejszych przejawów sztuki romańskiej na terenie Mazowsza należały brązowe drzwi do katedry (właściwie drewniane, dębowe, pokryte płytami z brązu). Wykonane zostały w ludwisarni Riquina i Weismutha w Magdeburgu. Składają się one z 26 pól pokrytych 49 płytami z brązu na których przedstawiono dzieje zbawienia, motywy maryjne i postacie fundatorów. Niestety już pod koniec XII w. Drzwi Płockie znalazły się w portalu Soboru św. Zofii w Nowogrodzie, gdzie trwają do dnia dzisiejszego. W jaki sposób tam dotarły, stanowi to nadal wielką tajemnicę. Od 1981 r. w Bazylice Katedralnej znajduje się wierna ich kopia wykonana z inicjatywy prezesa Towarzystwa Naukowego Płockiego, dr Jakuba Chojnackiego.
Interesującą historię mają dzwony katedralne. W XV w. biskup płocki Kazimierz ufundował 3 dzwony. Pod koniec tego wieku, przeniesiono je do jednej z baszt zamku, którą zaczęto od tej pory nazywać dzwonnicą. W XVIII stuleciu było już dzwonów sześć, a ponadto działały dwa dzwony zegarowe. W czasie I Wojny Światowej, Niemcy wszystkie dzwony zarekwirowali i przetopili. Po zakończeniu wojny zostały odtworzone i w 1922 r. wyświęcono 5 nowych dzwonów. W 1941 Niemcy ponownie skradli wszystkie dzwony. Po II Wojnie Światowej pierwszy dzwon pojawił się w 1948 r. i otrzymał miano Stanisław Szczepanowski Męczennik. Kolejne trzy ( św. Jakub Apostoł, św. Stanisław Kostka i św. Siostra Faustyna – wówczas błogosławiona) zawieszono dopiero w 1995 r. Wszystkie napędzane są elektrycznie i sterowane elektronicznie.
Nim przejdziemy do wnętrza, warto wspomnieć jeszcze o niszczycielskiej działalności hitlerowskich nazistów. W czasie swojego „panowania” w Płocku (1939-1944) okupanci m.in. zerwali miedziany dach a wewnątrz urządzili skład mebli zrabowanych ludności polskiej i żydowskiej. Poszukując pod podłożem i w murach katedry skarbów, uszkodzili posadzkę i wyposażenie wnętrza: nagrobki, ołtarze i organy.
Po wejściu do wnętrza zachwyca – wykonana w latach 1904-14 i okresie 20-lecia międzywojennego przez Władysława Drapiewskiego – polichromia ozdabiająca ściany. Najbardziej znaną jej częścią jest obraz zatytułowany „Nauczanie Chrystusa”, zwany również „Kazanie Chrystusa”. Władysław Drapiewski był także autorem większości witraży znajdujących się w bazylice. Niestety wszystkie one uległy zniszczeniu w czasie II Wojny Światowej, a konkretnie na przełomie 1944-45, kiedy to pod naporem bomb lotniczych i pocisków artyleryjskich ucierpiała konstrukcja sklepień i dachów świątyni. Odtworzone zostały na podstawie przedwojennych rysunków Drapiewskiego. Ich autorami są: on sam, Edwarda Przeorska oraz ksiądz Wincenty Kilian.
Neorenesansowy ołtarz główny w prezbiterium wykonany został z marmuru wg projektu profesora Stefana Szyllera w latach 1901-03 i zastąpił wcześniejszy, pochodzący z XVI w. W prezbiterium znajdują się także piękne stalle kanonickie oraz tron biskupi i będący szczególnym arcydziełem stolarstwa artystycznego fotel tronowy – wykonane z drewna dębowego w latach 1906-10 w zakładzie stolarskim Krauzego w Warszawie.
Zaprojektowany przez Stefana Szylera chór muzyczny posiada galerię wspartą na czterech toskańskich kolumnach i półkolumnach. Organy wykonano w 1907 r. we Frankfurcie nad Menem. Ambona – dębowa, pseudorenesansowa z 1908 r. wykonana wg projektu Stefana Szyllera, wykonana w zakładzie stolarstwa artystycznego Stadnickiego w Warszawie.
Płocka bazylika katedralna posiada kilka bardzo ciekawych i cennych z punktu widzenia wartości artystycznych ołtarzy i kaplic. W nawie lewej (północnej) znajdują się ołtarze: św. Stanisława Szczepanowskiego, Serca Jezusowego oraz Matki Bożej Mazowieckiej. W nawie prawej (południowej) znajdują się ołtarze: Jezusa Ukrzyżowanego, św. Stanisława Kostki oraz św. Teresy od Dzieciątka Jezus. Kaplic bocznych kościół posiada cztery: Królewską, św. Rodziny, Najświętszego Sakramentu (z XVIII w.) oraz św. Zygmunta.
Rzesze zwiedzających przyciąga do katedry Kaplica Królewska, znajdująca się pod lewą (północną) wieżą. Wewnątrz umieszczonego w niej sarkofagu znajdują się obecnie dwie trumny z oksydowanego brązu zawierające doczesne szczątki władców Polski: Władysława I Hermana (zwanego także Gnuśnym) oraz Bolesława II Krzywoustego. W kaplicy św. Rodziny znajdującej się pod prawą wieżą przetrwał do naszych czasów przepiękny dwukondygnacyjny renesansowy pomnik nagrobny małżonków Sieprskich. W kaplicy tej 5 października 1947 r. zostały złożone prochy mieszkańców Płocka i Ziemi Płockiej zamordowanych w czasie okupacji niemieckiej w latach 1939-45.
Wśród znajdujących się wewnątrz katedry nagrobków do najpiękniejszych należą: biskupa Jana Cieleckiego (wczesnobarokowy ok. 1627 z czarnego marmuru), wojewody płockiego Stanisława Krasińskiego (z 1617 r. manierystyczny z czerwonego marmuru) oraz pomnik biskupa płockiego Piotra Dunin-Wolskiego (renesansowy z czerwonego marmuru, z końca XVI w.)
Wiele było ważnych dat w dziejach świątyni. Dwie z nich wydają się być wyjątkowej wagi. 1-go lipca 1910 r. Ojciec Święty Pius X podniósł płocki kościół katedralny do godności bazyliki mniejszej. 7 czerwca 1991 r., podczas pielgrzymki do Ojczyzny, nawiedził ją w czasie swojego pobytu w Płocku, Papież Polak – Jan Paweł II.
Zwiedzający Wzgórze Tumskie w najbliższym otoczeniu katedry znajdzie m.in: Zamek Kazimierzowski, pomnik Ludwika Krzywickiego i ławeczkę dr Chojnackiego, wiele zabytkowych budynków przy obecnym placu Narutowicza (dawnym Kanonicznym) i odchodzące od niego ulice Grodzką (najstarsza ulica Płocka) i Tumską (najbardziej reprezentacyjna ulica miasta), no i oczywiście taras widokowy, z panoramą na Wisłę i dzielnicę Radziwie.
