Historia katedry wileńskiej, usytuowanej na obszarze zamku, sięga XIV wieku, kiedy to jeszcze przed chrztem Litwy w tym miejscu istniała niewielka świątynia, którą opiekowali się franciszkanie. Kolejne wieki przyniosły budowę gotyckiej hali, którą przekształcano w czasach nowożytnych. Dzisiejszy wygląd katedra zawdzięcza promotorowi klasycyzmu w osobie biskupa Ignacego Massalskiego (1727-1794), związanego z Komisją Edukacji Narodowej, targowiczanina powieszonego w Warszawie podczas insurekcji kościuszkowskiej.

Massalski inicjował szereg inwestycji w Wilnie, z których najważniejszą stała się przebudowa katedry. Prace od wiosny 1777 roku prowadził Marcin Knakfus (ok. 1740-po 1821) związany ze Stanisławem Augustem (1732-1798), ale najpóźniej w 1782 roku zastąpił go Wawrzyniec Gucewicz (1753-1798), wykształcony na koszt biskupa w Rzymie i w Paryżu, gdzie zetknął się z twórczością wybitnych architektów: Jacques’a-Germaina Soufflota (1713-1780), Jean-Baptiste’a Rondeleta (1743-1829), Claude’a-Nicolasa Ledoux (1736-1806). W trakcie prac nad najważniejszą świątynią Wielkiego Księstwa Litewskiego Gucewicz odbył też podróże studyjne do Hamburga i Bremy.

Wawrzyniec Gucewicz i przebudowa katedry w duchu klasycyzmu

Niespełna 29-letni architekt podejmując się prestiżowego zlecenia rozpoczął od mocnej krytyki swego poprzednika, a jednocześnie pierwszego nauczyciela architektury, wskazując na zachowawczość jego projektu. Zaproponował surowe podejście do bryły, czyszcząc wnętrza z wielowiekowych naleciałości (nagrobków, epitafiów i ołtarzy). W efekcie tego zatarciu uległ dorobek architektoniczny wcześniejszych epok i stylów, z pozostawieniem zbyt ważnego, by go przekształcać, wczesnobarokowego sanktuarium św. Kazimierza.  

Przede wszystkim Gucewicz nieco obniżył wysokość gotyckich ścian, nie zmieniając układu trzech naw, z których środkowa jest najszersza. Nowe sklepienia spiął gurtami i ozdobił masywnymi rozetami. Pozostawiając kaplicę św. Kazimierza usytuowaną przy prezbiterium po przeciwległej stronie dokomponował symetrycznie usytuowaną zakrystię. Nie dokonał także zmian we wnętrzu kaplicy biskupa Eustachego Wołłowicza (1572-1630), która powstała mniej więcej w tej samym czasie co kaplica św. Kazimierza. Pozostałe zaś przebudował, porządkując ich wysokość i kształt. 

Od strony zachodniej architekt wprowadził też dwie symetryczne kaplice na planie prostokąta, w który wpisał elipsę, nakrywając je niewidocznymi na zewnątrz kopułami z oświetlającymi wnętrze latarniami. Elewacje boczne spiął wgłębnymi portykami, gdzie później ustawiono figury z zamkniętego po powstaniu listopadowym jezuickiego Kościoła pw. św. Kazimierza.  

Klasycystyczna fasada i symbolika dekoracji

Głównym elementem katedry stał się jej sześciokolumnowy portyk z tympanonem ozdobionym przez Tommaso Righi (1727-1802), artysty Stanisława Augusta, którego do dekoracji katedry powołał w 1784 roku biskup Massalski. W tympanonie przedstawiono Ofiarę Noego, co było przypomnieniem o wiecznym przymierzu z Bogiem i ofierze Eucharystii. Kontynuacją tej myśli są trzy posągi z portyku, które wykonał w latach 1791-1792 miejscowy twórca - Kazimierz Jelski (św. Helena z krzyżem, św. Kazimierz, św. Stanisław - patroni Kościoła litewskiego i polskiego, figury zniszczone w 1950, zrekonstruowane po 1989). W dolnych partiach fasady umieszczone są posągi Ewangelistów oraz Mojżesz i Abraham, a więc jest to ilustracja Starego i Nowego Testamentu. W fasadzie ukazano także reliefy sceny o życiu św. Piotra i św. Pawła autorstwa Tommaso Righi.   

Wnętrze katedry odznacza się surową elegancją. Wyposażano ją w zaledwie jeden ołtarz - główny z obrazem św. Stanisława (do 1801) Franciszka Smuglewicza (1745-1807), innego artysty kręgu króla Stanisława Augusta, który w Wilnie stał się niekwestionowanym mistrzem malarskim. W tym samym stylu zrealizowano przyfilarową ambonę - o niskim, geometrycznym koszu.