Pierwotny kształt korpusu kościoła z końca XIII wieku zmienił się w nieznaczny sposób. W 1489 roku dobudowano prezbiterium, a w 1621 roku nadbudowano wieżę i otrzymała hełm w stylu barokowym. Bardziej znaczące zmiany w strukturze świątyni miały miejsce w jej wnętrzu. Pierwotnie liczba ołtarzy w świątyni wynosiła siedemnaście. Postulaty zwolenników reformacji doprowadziły do likwidacji szesnastu z nich. Z czasów średniowiecznych pozostały zaledwie nieliczne rzeźby. Ponieważ od końca XVI w. kościół był świątynią luterańską, jej wnętrze uległo znacznej transformacji. W latach 1953–1956 ponownie dostosowano go do potrzeb liturgii katolickiej.
Kościół ustanowiono katedrą 12 grudnia 1945 i zaczął pełnić rolę martyrium. Znajdują się tam groby m.in. biskupów Wilhelma Pluty i Teodora Benscha.
W roku 1982 katedra stanowiła centrum wydarzeń Gorzowskiego Sierpnia.
W 1997 wizytę w katedrze złożył Jan Paweł II. Modlił się wówczas przy grobie bpa Wilhelma Pluty.
1 lipca 2017 w wieży katedralnej wybuchł pożar. Tymczasowo ściągnięto iglicę i hełm. W wyniku pożaru na czas remontu świątynia została zamknięta dla wiernych.