Rok 1360 przyjmuje się tradycyjnie za datę powstania gotyckiej kolegiaty w Sandomierzu co mogło oznaczać dobudowanie gotyckiej trójnawowej hali. W ten sposób wczesnogotycka świątynia stała się prezbiterium nowo powstałej wspaniałej ceglanej budowli ozdobionej detalami z białego kamienia. Mogło to nastąpić poprzez wykonanie ostrołukowego otworu (w ścianie zachodniej), który połączył przestrzeń dzisiejszego prezbiterium z częścią nawową.

Być może ciosów z rozebranej ściany użyto do budowy filarów dźwigających sklepienie głównego korpusu świątyni.

Z notatki sporządzonej na karcie czternastowiecznego mszału, dowiadujemy się o konsekracji kolegiaty przez biskupa krakowskiego Jana Radlicę w 1382 roku. Z informacji tej wynika, iż gotycka świątynia musiała być w tym czasie ukończona. Dobudowanie poligonalnie zamkniętej absydy musiało nastąpić przed powstaniem bizantyjskiej polichromii
w 1426 roku.

Wchodząc do wnętrza gotyckiej świątyni widzimy duże, gładkie płaszczyzny ścian, które zdają się zacierać szkieletowy system konstrukcji. Ciężkie kamienne sklepienia wywierają nacisk zarówno w dół jak i na boki. Z tego też względu należało filary zewnętrzne wzmocnić dodatkowymi ramami, które stanowią widoczne od zewnątrz skarpy. Wewnętrzny układ kościoła tworzy system przechodzący, to znaczy taki, w którym każdemu prostokątnemu przęsłu nawy głównej odpowiada jedno przęsło nawy bocznej.

Sandomierska świątynia jest budowlą halową zrealizowaną na planie bazyliki, który wyróżnia podział wzdłużny na trzy trakty różnej szerokości: środkowy (nawa główna) – szerszy oraz boczne – węższe. Nawa główna doświetlona jest pośrednio, poprzez smukłe okna naw bocznych, które poprzebijały ściany zewnętrzne między skarpami. Jest wielce prawdopodobne, iż w dawnych czasach otwory okienne wypełniały kamienne maswerki podobne do tych, których fragmenty zachowały się w zamurowanych oknach prezbiterium od strony południowej. Każdą z naw pokrywał pierwotnie osobny dwuspadowy dach kryty dachówką. Od strony północnej przylegała do prezbiterium parterowa zakrystia przekryta sklepieniem krzyżowo-żebrowym.

Dzięki opiece monarchów i dostojników kościelnych świątynia przeżywała swój rozkwit i otrzymywała przywileje. Wielokrotnie gościł tu król Władysław Jagiełło, który po raz pierwszy przekroczył próg sandomierskiej kolegiaty zdążając do Krakowa na swój ślub. Z jego fundacji około 1423 roku powstały w prezbiterium wspaniałe freski namalowane w kanonie sztuki bizantyjskiej.

Z dziejami kolegiaty związana jest postać kardynała Zbigniewa Oleśnickiego, będącego wychowankiem szkoły kolegiackiej, scholastyka sandomierskiego i sekretarza królewskiego. W połowie XV wieku od strony południowej prezbiterium dobudowano kaplicę mansjonarzy z zakrystią (być może z fundacji kardynała Zbigniewa Oleśnickiego), zaś od strony północnej rozbudowano zakrystię o pierwotny kapitularz. Na tych działaniach zakończył się średniowieczny okres budowy kolegiaty.

Do połowy XVII wieku prowadzono jedynie prace związane z reperacjami i restauracją świątyni, które nie wpływały na układ przestrzenny kościoła. Rok 1656 był tragiczną datą nie tylko dla miasta, ale i dla kolegiaty. Porażka Szwedów pod Sandomierzem stanowiła początek odwrotu wojsk Karola Gustawa, które wycofując się z Sandomierza, 20 marca, wysadziły w powietrze zamek królewski. Wzniecone wybuchem pożary uszkodziły także blisko usytuowaną kolegiatę.
Pożar zniszczył dach kościoła, szczyty zachodnie i znaczną część sklepienia prezbiterium. Na szczęście ogień nie dosięgną wnętrza kolegiaty. Nie zważając na trudności finansowe kapituła kolegiacka pod przewodnictwem scholastyka, a od 1631 roku prepozyta Alberta Lipnickiego postanowiła przystąpić do remontu i odbudowy. Zmieniono konstrukcję dachu na dwuspadową (1663 r.). Naprawiono posadzkę i okna. Malowidła w prezbiterium miały być odnowione z zachowaniem ich starożytnych cech. Najwidoczniej jednak do tego nie doszło.

W latach 1670-1674 przebudowano fasadę zachodnią, dobudowano kruchtę z kolumnowym barokowym portalem
i wzniesiono pilastrowy szczyt z niskimi wieżyczkami. W roku 1712 zmieniono pokrycie dachu na miedziane.

W 1717 roku przeniesiono parafię z kościoła jezuickiego św. Piotra do kolegiaty. Dokonano tego za zgodą Biskupa, generała Jezuitów w Rzymie i króla Augusta II Mocnego. Prace prowadzone w ciągu XVIII wieku dotyczyły przede wszystkim wnętrza kolegiaty i nadawały jej jednorodnego, barokowego wystroju. W tym czasie wykonano m.in. nową marmurową posadzkę, ufundowano nowy ołtarz główny, ołtarze boczne, ściany naw otrzymały boazerię z obrazami, konfesjonały, zmieniono wystrój wnętrza kaplicy mansjonarskiej.

Znaczenie kolegiaty wzrosło przez erygowanie sufraganii w 1787 r. której pierwszym sufraganem został biskup Wojciech Boxa-Radoszewski. Pomimo, iż remont kolegiaty wymagał dużych wydatków ze strony kapituły, członkowie jej wielokrotnie dowodzili swego patriotyzmu wspomagając walczących o niepodległość i ratowanie Ojczyzny. W 1769 roku kapituła złożyła ofiarę na rzecz Konfederacji Barskiej, w 1794 roku po ogłoszeniu przez Tadeusza Kościuszkę “Uniwersału” w Połańcu, przekazała kosztowności kolegiackie, a wśród nich złote kielichy i srebrne antependium ołtarzowe.

W czasie wojen napoleońskich były prowadzone w 1809 roku działania wojenne w pobliżu Sandomierza, które częściowo uszkodziły kolegiatę.

W r. 1818 kolegiatę Najświętszej Maryi Panny bullą Piusa VII, podniesiono do godności katedry, zaś kapituła kolegiacka została przekształcona w katedralną.

W roku 1828 podjęto niefortunną decyzję otynkowania kościoła. W latach 1886-1889 tynki zdjęto odsłaniając gotycki wątek ceglany. Projekt restauracji opracował arch. Antoni Wąsowski. W tym też czasie barokowe kruchty od północy i południa jak również dawna zakrystia mansjonarska zostały ozdobione neogotyckim kamiennym detalem. Na dachu wystawiono neogotycką sygnaturkę. Dalsze prace restauracyjne dotyczyły wnętrza świątyni. Prowadzone były w sposób, który nie wpłynął ani na zmianę układu przestrzennego, ani na kształt jej bryły.

Pierwszą próbę odsłonięcia bizantyjskich malowideł w prezbiterium podjęto w 1913 roku za sprawą biskupa Mariana Józefa Ryxa. Prace konserwatorskie, nadzorowane przez specjalnie utworzony komitet, powierzono dwóm artystom Karolowi Fryczowi i Janowi Taladze. Do końca 1913 roku zdołali oni odsłonić i dokonać konserwacji pierwszego przęsła (najbliższego ołtarzowi). Trwające prace nad drugim przęsłem przerwała I-sza wojna światowa. Dopiero w latach 1932-1934 na polecenie biskupa Włodzimierza Jasińskiego, odsłonięcia całości średniowiecznej polichromii dokonał art. malarz Juliusz Makarewicz, profesor krakowskiej Akademii Sztuk Pięknych.

Dalsze prace restauracyjne w katedrze prowadził biskup Jan Kanty Lorek, a od roku 1967 biskup Piotr Gołębiowski.
W jego imieniu prace konserwatorskie prowadził rektor katedry ks. Prałat Michał Kozioł, a później ks. Prałat Ignacy Ziembicki. W tym czasie dokonano konserwacji obrazów, złocenia ram, ambony, organów oraz uzupełniono głosy organowe do pięćdziesięciu. W 1980 r. dokonano przebudowy chóru. Wymienione zostały drewniane belki na stalowe,
a chór poszerzono. W 1983 r. dokonano restauracji podziemia katedry, gdzie pochowani są biskupi sandomierscy
i urządzono tam kaplicę pw. Bł. Męczenników Sandomierskich.

W roku 1960 papież Jan XXIII wyniósł świątynię do godności bazyliki mniejszej.

W swoich progach katedra gościła przyszłych papieży w 1918 r. Achille Ratti`ego (Piusa XI) i kilkakrotnie w latach 60-tych Karola Wojtyłę, który w roku 1999 odwiedził ją już jako papież Jan Paweł II.