Історія Вільнюського кафедрального собору, розташованого на території замку, сягає 14 століття, коли ще до Хрещення Литви на цьому місці стояв невеликий храм, яким опікувалися францисканці. Наступні століття принесли будівництво готичної зали, яка була трансформована в сучасному вигляді. Своїм сучасним виглядом собор завдячує популяризатору класицизму в особі єпископа Ігнація Масальського, який був пов'язаний з Комісією національної освіти і був повішений у Варшаві під час повстання Костюшка.

Масальський ініціював низку інвестицій у Вільнюс, найважливішою з яких була реконструкція кафедрального собору. Роботи з весни 1777 року очолив Марцін Кнакфус, який був пов'язаний зі Станіславом Августом, але найпізніше у 1782 році його змінив Вавжинець Гуцевич, який навчався за кошти єпископа в Римі та Парижі, де познайомився з творчістю видатних архітекторів Жака-Жермена Суфло, Жана Батиста Ронделе, Пата і Клода Ніколя Леду. Працюючи над найважливішим храмом Великого князівства Литовського, Гуцевич також здійснив навчальні поїздки до Гамбурга та Бремена.

Приступаючи до виконання престижного замовлення, 29-річний архітектор почав з різкої критики свого попередника, а також першого вчителя архітектури, вказуючи на консервативність його проекту. Він запропонував суворий підхід до масивності, очистивши інтер'єри від багатовікових атрибутів (надгробків, епітафій та вівтарів). Це призвело до знищення архітектурної спадщини попередніх епох і стилів, залишивши лише ранньобарокову святиню св. Казимира, яка була надто важливою, щоб піддаватися трансформаціям.

Перш за все, Гуцевічюс трохи зменшив висоту готичних стін, не змінюючи планування трьох нефів, з яких центральна є найширшою. Нові склепіння він скріпив гротами і прикрасив їх масивними розетками. Залишивши каплицю св. Казимира, розташовану поруч з пресвітерієм з протилежного боку, він добудував симетрично розташовану ризницю. Він також не вніс жодних змін в інтер'єр каплиці єпископа Юстація Воловича, яка була збудована приблизно в той самий час, що й каплиця св. Казимира. Натомість, він перебудував інші, впорядкувавши їхню висоту та форму. Із західного боку архітектор також ввів дві симетричні каплиці на прямокутному плані, в який вписав еліпс, покривши їх невидимими ззовні куполами з ліхтарями, що освітлюють інтер'єр. Бічні підвищення були з'єднані заглибленими портиками, в яких пізніше розмістили статуї з єзуїтського костелу св. Казимира, закритого після Листопадового повстання.

Головним елементом собору став шестиколонний портик з тимпаном, який прикрасив Томмазо Рігі, художник Станіслава Августа, якого єпископ Масальський у 1784 році призначив для оздоблення собору. На тимпані була зображена Ноєва жертва, що нагадувала про вічний заповіт з Богом і жертву Євхаристії. Цю ідею в портику продовжили три статуї, створені в 1791-1792 роках місцевим художником Казимиром Єльським (св. Олена з хрестом, св. Казимир, св. Станіслав - покровителі литовської та польської церкви; статуї були зруйновані в 1950 році і відновлені після 1989 року). У нижній частині фасаду розміщені статуї євангелістів, Мойсея та Авраама, що ілюструють Старий і Новий Заповіти. На фасаді також розміщені рельєфи зі сценами з життя святих Петра і Павла роботи Томмазо Рігі.

Інтер'єр собору вирізняється суворою елегантністю. У ньому був лише один вівтар - головний, з картиною Святого Станіслава (до 1801 р.) роботи Францішека Смуглевича, ще одного художника з оточення короля Станіслава Августа, який став беззаперечним майстром живопису у Вільнюсі. У тому ж стилі виконані пілястри амвону - з низьким геометричним кошиком.