De oorsprong van de kathedraal was een kleine kapel uit de 9de eeuw, gelegen ten zuiden van de markt. Op die plek begon men in 1132 met de bouw van een ruimere romaanse kerk. Deze kerk werd in de loop van de 13de en de 14de eeuw herhaaldelijk vergroot.
Toen men besloot een nieuwe, gotische kerk te bouwen, werd de romaanse kerk in de 15de eeuw geleidelijk aan gesloopt. De gotische kerk werd gebouwd tussen 1352 en 1521 en wordt tot de hoogtepunten van de Brabantse gotiek gerekend.
Rond 1430 werd besloten om de kerk breder te maken dan oorspronkelijk gepland en begon men met de bouw van de uiterste noordelijke en zuidelijke zijbeuken. Op die manier zou uiteindelijk een zevenbeukige kerk ontstaan.
In 1475 werd – wellicht wegens geldgebrek – beslist de zuidertoren niet verder op te trekken.
Toen de Onze-Lieve-Vrouwekerk bijna voltooid was, besloot men een nóg grotere kerk te bouwen, deels met gebruikmaking van de reeds afgewerkte delen (zie afbeelding). In 1521 legde Karel V de eerste steen van de reusachtige kooruitbreiding. Het werk werd een tiental jaren later stopgezet en in 1537 definitief opgegeven. De huizenrij van de Lijnwaadmarkt, Melkmarkt en Sint-Pieterstraat tot de Groenplaats rond de O.L.V.-kathedraal vormt de omtrek van dat uitgebreide grondplan.
Bij de bouw van het gotische bouwwerk waren onder meer de bouwmeesters Jan en Pieter Appelmans en Rombout II Keldermans betrokken. Zij worden geëerd met een standbeeld tegen de gevel van de kathedraal, op de hoek van de Handschoenmarkt en de Jan Blomstraat.
Door de bul Super universitas van 1559 werden veertien nieuwe bisdommen opgericht in de Nederlanden, waaronder het bisdom Antwerpen. Hierdoor werd de Onze-Lieve-Vrouwekerk een kathedraal. Het bisdom Antwerpen werd in 1801 opgeheven en pas in 1961 weer opgericht.
Tot 1967 was de kathedraal het hoogste gebouw van België, tot de Brusselse Zuidertoren werd gebouwd.
De noordelijke toren van de kathedraal is 123,92 meter hoog en is sinds de sloop van de Sint-Lambertuskathedraal in Luik in 1794 de hoogste kerktoren van de Benelux. Hij staat 19de op de wereldranglijst van hoogste kerktorens en is als onderdeel van een groep van 56 belforten in België en Frankrijk opgenomen op de lijst van UNESCO-werelderfgoed.
Van het oorspronkelijke, middeleeuwse interieur bleef zo goed als niets bewaard. Tijdens de Reformatie raasde de beeldenstorm door de kathedraal. Glasramen, beelden, relieken, praalgraven en tientallen altaren werden onteerd en vernietigd door calvinisten. De in een kapel vereerde reliekschrijn met daarin de voorhuid van Jezus ging verloren.
Peter Paul Rubens schilderde voor de kathedraal De kruisoprichting (1610), De kruisafneming (1612), De verrijzenis van Christus (1612) en De Tenhemelopneming van Onze-Lieve-Vrouw (1626).
De Onze-Lieve-Vrouwekathedraal en Rubens’ altaarstukken spelen een belangrijke rol in het verhaal A Dog of Flanders (1872) van de Engelse schrijfster Marie Louise de la Ramée over het weesjongetje Nello en zijn hond Patrasche. Dit boek werd een klassieker bij Japanse kinderen en zorgt nog jaarlijks voor een grote toestroom van Japanse toeristen naar de Antwerpse kathedraal.