Pirmą kartą istoriniuose šaltiniuose Kauno parapijinė bažnyčia yra minima 1413 m. balandžio 22 d. rašte, kuriuo Vilniaus vyskupas Mikalojus suteikia jai atlaidų privilegiją. Manoma, kad ji buvo pastatyta 1408 – 1413 metais, Žemaičių krikšto įamžinimo proga. Spėjamas fundatorius – Didysis Lietuvos Kunigaikštis Vytautas. Tuo metu ši šventovė tikriausiai buvo vienintelė parapijinė bažnyčia visame Kaune ir priklausė Vilniaus diecezijai. Tuometinė bažnyčia dar nebuvo panaši į šiandieninę. Tik 1660 m. buvo pristatyta didžioji trinavė jos dalis. Bažnyčia buvo dažnai naikinama karų ir gaisrų, ir tik dėka Lietuvos kunigaikščio ir Lenkijos karaliaus Stanislovo Augusto dotacijos 1771 m. ji buvo užbaigta statyti. 1775 m. buvo pastatytas didingas didysis altorius, išlikęs iki šių dienų. Po 1800 m. gaisro bažnyčia buvo restauruota ir beveik nepakitusi išliko iki mūsų dienų. 1887 m. buvo sudarytas bažnyčios rekonstrukcijos projektas, tačiau nebuvo įvykdytas. 1890 – 1891 m. įžymusis dailininkas M. Andriulis Kauno katedrai nutapė keletą paveikslų. Bažnyčios interjerą dekoravo dailininkai J. Moniuška ir J. Čejevičius. 1899 – 1902 m. laikotarpiu čia buvo atlikta keletas pakeitimų: praplėsta zakristija ir perkelti vakarų link įėjimai, anksčiau buvę ties navų viduriu, pristatyta Švč. Sakramento koplyčia. Pažymėtina, kad naujoji koplyčia – vienas iš geriausiai pastatytų XIX a. neogotikos kūrinių Lietuvoje. Jos autorius – architektas J. Verneris.

Ši šventovė buvo parapijinė bažnyčia iki XIX amžiaus. Nuo 1808 m. Kauno Šv. ap. Petro ir Povilo parapiją administravo vienuoliai augustinijonai. XIX a. vid. parapija turėjo tik apie 5300 tikinčiųjų. Po 1863 m. sukilimo, norėdama kontroliuoti vysk. Valančiaus veiklą, caro valdžia įsakė Žemaičių vyskupijos sostą iš Varnių perkelti į Kauną ir, atėmusi iš vienuolių šią parapijinę bažnyčią, atidavė ją vyskupui. Popiežius Leonas XIII 1895 m. bažnyčiai suteikė katedros titulą, o Žemaičių vyskupijos 500 m. sukakties proga 1921 m. popiežius Benediktas XV ją paskelbė bazilika. 1926 m., įsteigus Lietuvos Bažnytinę Provinciją, popiežius Pijus XI Kauno katedrai suteikė arkikatedros titulą su Arkivyskupo – metropolito sostu.

Žemaičių katedra, vėliau tapusi Kauno arkikatedra bazilika, buvo didinga ir tikinčiųjų mėgiama šventovė, todėl čia dažniausiai būdavo skiriami tik jau nusipelnę, garbingi ir pasišventę Bažnyčiai žmonės: vyskupai, kunigai, vargonininkai, zakristijonai ir kiti bažnyčios tarnai. Visus šiuos garbingus žmones būtų sunku ir išvardinti, tačiau pačius žymiausius dera paminėti. Vienas jų – vysk. Pr. Karevičius, kuris drauge su arkivyskupu J. Matulevičiumi parengė planus Lietuvos Bažnytinei Provincijai įkurti. Vėliau, palikęs dirbti jaunesnį įpėdinį, vysk. Pr. Karevičius išėjo į vienuolyną. Po šio žymaus ganytojo į Kauno vyskupijos sostą 1926 m. atėjo vysk. J. Skvireckas, savo tautoje įsiamžinęs Šventojo Rašto vertimo į lietuvių kalbą dovana. Įsteigus Lietuvos Bažnytinę Provinciją, popiežiaus Pijaus XI potvarkiu vysk. J. Skvireckas buvo paskirtas Kauno arkivyskupijos arkivyskupu, o Kauno katedra tapo arkikatedra bazilika. Kaip vieną labiausiai pasižymėjusių arkikatedros kunigų galima išskirti ilgametį arkikatedros viceprepozitą, Kauno arkikatedros kapitulos kanauninką kun. Povilą Dogelį. Savo kunigystės metus arkikatedroje jis pažymėjo vaisingu pastoraciniu darbu: aktyviai rėmė įvairių jaunimo organizacijų veiklą, daugeliui jų buvo dvasios vadovas; pranciškonų tretininkams bei kitų draugijų nariams jis buvo nepavargstantis švento gyvenimo bei pasiaukojamo darbo pavyzdys, tikintiesiems jis buvo nepavargstantis dvasios tėvas klausykloje, ypatingas Švč. Sakramento garbintojas ir nuoširdus pamokslininkas.

Kauno arkikatedros bazilikos pasididžiavimas yra 1894 m. vysk. L. Paliulionio šios bažnyčios vargonininku paskirtas Juozas Naujalis. Čia jis perorganizavo didįjį katedros chorą, moteriškus balsus pakeisdamas berniukų balsais, rūpinosi choro muzikiniu lygiu, į jo repertuarą įvedė įžymių pasaulio kompozitorių kūrinius. Jo dėka arkikatedroje įvyko ne vienas muzikos kūrybos vakaras bei sakralinės muzikos koncertas. Kitas įžymus vargonininkas, dirbęs šioje šventovėje, yra J. Naujalio mokinys K. Kaveckas. Jis nuo 1936 m., būdamas arkikatedros vyr. vargonininku, pagarsėjo savo kūryba bei vargonų muzikos rečitalių rengimu.

1940 m. Kauno arkivyskupo pagalbininku Šv. Sostas skyrė vysk. V. Brizgį, tačiau nuo 1944 m. arkivyskupui ir vyskupui esant tremtyje, arkivyskupiją valdė ir arkikatedroje dirbo kapituliniai vikarai: prel. St. Jokūbauskis, o jam mirus kan. J. Stankevičius. 1949 m. Kauno arkikatedra bazilika vėl gavo parapijinės bažnyčios statusą, tačiau išliko ir arkivyskupo sosto bažnyčia. Čia ir toliau savo pastoracinę veiklą vykdė vyskupai J. Matulaitis–Labukas, R. Krikščiūnas, L. Povilonis, J. Preikšas, V. Michelevičius. 1989 m. į Kauno arkikatedrą baziliką įžengė pirmasis po daugelio amžių Lietuvos kardinolas arkivyskupas V. Sladkevičius. Atgimimo laikais Kauno arkikatedra tapo pulsuojančia Lietuvos širdimi, o 1996 m. ji pasitiko arkivyskupą S. Tamkevičių , kuris iki šiol yra šios didingos Šv. ap. Petro ir Povilo parapijos šventovės ir Kauno arkivyskupo sosto bažnyčios šeimininkas.