Istnieje hipoteza zgodnie, z którą sklepienie prezbiterium jest starsze od sklepienia reszty kościoła oraz że prezbiterium stanowiło niegdyś kaplicę zamkową książąt mazowieckich, która pochodziła zapewne z pierwszych lat XV stulecia. Opisy dawnej Łomży potwierdzają istnienie oddzielnej kaplicy zamkowej.
W wyniku zniszczeń w czasie potopu szwedzkiego w latach 1691–1692 odbył się remont, w wyniku którego wystrój kościoła zmienił się z gotyckiego na barokowy według projektu Józefa Szymona Bellottiego. Wzniesiono nowy szczyt zachodni i szczyt nad łukiem tęczowym oraz podniesiono mury prezbiterium, a także obniżono dachy. W 1696 roku przeprowadzono remont. Ponowny remont przeprowadzono w 1752 roku, przy okazji którego wprowadzono sztukaterie rokokowe nad łukiem tęczowymhttp://mbc.cyfrowemazowsze.pl/Content/63479/Ochrona_Zabytkow-r1957_T10_N3.pdf. Ponowna konsekracja świątyni odbyła się w 1783, lecz w 1819 została czasowo zamknięta z uwagi na zły stan techniczny. W 1844 roku przeprowadzono remont. W 1886 roku restaurację sklepień przeprowadził J. Hinz. W 1886 roku dobudowano od południa zakrystię. Od 1921 znajduje się w rejestrze zabytków. 28 października 1925 podniesiony do rangi katedry w wyniku utworzenia diecezji łomżyńskiej. W latach 1932–1934 przebudowano pod kierunkiem Stefana CybichowskiegoKatalog zabytków sztuki.