De gotische kathedraal kent een lange geschiedenis die terug is te leiden tot het jaar 597. In dat jaar stuurde paus Gregorius een gezant naar Engeland om daar het christelijke geloof te brengen. St. Augustinus stichtte vervolgens een kerk en werd uiteindelijk in 602 zelf aartsbisschop. Niet veel later stichtte St. Augustinus nog een klooster buiten de stadsmuren van Canterbury ter ere van St. Peter en St. Paul. Na zijn dood werd deze abdij weer aan hemzelf opgedragen.
In de jaren die volgden, werd de kathedraal meerdere malen aangepast aan de wensen van de dienstdoende aartsbisschoppen. Zo liet aartsbisschop Cuthbert een mausoleum bijbouwen en liet aartsbisschop Oda het middenschip van de kathedraal verlengen. Aan het eind van de 10e eeuw werd wederom een klooster onder toezicht van de kerk bijgebouwd. Gedurende de aanval van de Denen, rond 1011, raakte de kathedraal zwaar beschadigd. Dit weerhield de aartsbischoppen Lyfing en Aethelnoth er niet van om een westelijk deel aan de kathedraal toe te voegen, ter ere van Maria.
Niet veel later, toen in 1070 de eerste Noorman aartsbisschop van Canterbury werd, begon het herstel van de kathedraal, die nog steeds op sommige punten zwaar beschadigd was. Aartsbisschop Lanfranc liet vrijwel de hele kathedraal herbouwen op een ontwerp dat gebaseerd was op het klooster van St. Etienne, gelegen in het Franse Caen. De crypte, die de grootste van zijn soort is in heel het Verenigd Koninkrijk, werd in opdracht van aartsbisschop St. Anselm aangelegd. Ook zorgde hij ervoor dat het klooster nieuw leven werd ingeblazen.
De gotische uitstraling die de kathedraal tegenwoordig heeft, werd aangebracht in opdracht van Thomas Chillenden. Hij zorgde ervoor dat het middenschip in de zogenaamd Engels Gothische stijl werd. Op de toren die onder leiding van Lanfranc gebouwd werd, liet Chillenden alles in tact. De herbouw van de toren startte 50 jaar na de sloop ervan, in 1490. Pas in 1510 werd de nieuwe toren opgeleverd, die in lengte ruim 90 meter hoog is. Meer veranderingen vonden plaats in 1539 toen vrijwel alle kloosters in Engeland verplicht hun deuren moesten sluiten.
Een aantal eeuwen later paste men de kathedraal op nog wat punten aan. De westelijke toren, gebouwd ten tijde van de Noormannen, werd vervangen door nieuwe toren doordat de constructie ondeugdelijk bleek te zijn. De sloop vond plaats in de 18e eeuw. In 1830 werd de nieuwe toren gebouwd, die bijna identiek is aan de oostelijke toren. Een ander herstel vond plaats bij de ruines van de slaapzalen van de monniken, welke ernstig in verval geraakt waren. Men besloot op die plekken een neo-gotische bibliotheek en een archief te bouwen. Uiteindelijk werd ook dit gebouw vernietigd, door een bom die tijdens de Tweede Wereldoorlog in feite gericht was op de kathedraal, maar deze slechts enkele honderden meters miste. Jaren later is het gebouw alsnog herbouwd.
Op dit moment vindt een grootschalige restauratie plaats van de kathedraal, die rond de £50 miljoen zal gaan kosten. Met de meest grote precisie wordt alles zo goed mogelijk nagebootst. Zo worden de stenen die aan vervanging toe zijn uit het Franse Caen gehaald, omdat daar de originele stenen vandaan komen.
