Historia katedry wileńskiej, usytuowanej na obszarze zamku, sięga XIV w., 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, 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 r. prowadził Marcin Knackfus związany ze Stanisławem Augustem, ale najpóźniej w 1782 r. zastąpił go Wawrzyniec Gucewicz, wykształcony na koszt biskupa w Rzymie i w Paryżu, gdzie zetknął się z twórczością wybitnych architektów Jacques-Germain Soufflota, Jean Baptiste Rondeleta, Patta i Claude’a Nicolasa Ledoux. W trakcie prac nad najważniejszą świątynią Wielkiego Księstwa Litewskiego Gucewicz odbył też podróże studyjne do Hamburga i Bremy.  

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, 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.  

Głównym elementem katedry stał się jej sześciokolumnowy portyk z tympanonem ozdobionym przez Tommaso Righi, artysty Stanisława Augusta, którego do dekoracji katedry powołał w 1784 r. 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, 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.