Überlieferung und Erzählungen haben es schon lange Jahrhunderte gewusst: Die heilige Helena, Mutter von Kaiser Konstantin dem Großen, hat ihr Trierer Stadtpalais für den Bau einer Kirche zur Verfügung gestellt. Tatsächlich haben jüngere archäologische Grabungen bestätigt, dass der Dom auf den Resten von Wohnhäusern mit prachtvoller Ausstattung errichtet wurde. In einer der Villen wurden Aufsehen erregende Deckengemälde gefunden, prunkvolle Bilder mit einem zentralen Porträt – wohl der Fausta, Konstantins zweiter Frau. Die erhaltenen Bruchstücke der ungefähr 70 Quadratmeter großen Zimmerdecke wurden zusammengesetzt und sind heute im Bischöflichen Dom- und Diözesanmuseum als Zeugnis spätrömischer Malerei zu sehen.

Doch die Geschichte des Christentums in Trier beginnt noch früher: Seit der 2. Hälfte des 3. Jahrhunderts hatte die hiesige Christengemeinde einen Bischof und vermutlich auch ein Gemeindehaus, in dem sie sich zur Eucharistiefeier traf. Wo dieses Haus lag ist ungewiss. Nachdem aber Konstantin der Große (306 – 337) den Christen 313 die Religionsfreiheit gewährt hatte, war auch in Trier die Zeit für ein größeres Gotteshaus im Stil einer Basilika gekommen.

Münzfunde deuten darauf hin, dass etwa kurz vor dem Jahr 315, wohl unter Bischof Agritius, mit dem Bau der ersten, der Südwestkirche, als einer dreischiffigen Basilika und einem quer verlaufenden Chorraum begonnen wurde. In den 30er Jahren des 4. Jahrhunderts folgte die Südostkirche im Bereich der heutigen Liebfrauenkirche. Dort vermutet man die eigentliche Volkskirche. Danach folgten die Nordwest- und Nordostkirche. Der H-förmige Baukomplex aus nunmehr vier basikalen Räumen mit Verbindungsräumen und einem 64 Quadratmeter großen Baptisterium im Zentrum der gesamten Anlage konnte sich in seiner Größe mit den frühchristlichen Anlagen in Rom – etwa der zeitgleich entstandenen Lateranbasilika und St. Peter – messen. Unklar ist bislang noch die Funktion der einzelnen Bauteile der gewaltigen Kirchenanlage.

Wichtigster, noch heute erhaltener Bauteil aus der spätantiken Zeit ist der um 380 von Kaiser Gratian nach einer Planänderung errichtete „Quadratbau“ an Stelle der Nord-Ost-Basilika. In der 40 mal 40 Meter großen und ursprünglich wohl 45 Meter hohen Halle mit einem Vierungsturm befand sich die Kammer zur Aufbewahrung einer Kreuzesreliquie.

Im Innern des so genannten Quadratbaus standen vier fast zwölf Meter hohe monolithische Granitsäulen aus dem Felsenmeer im Odenwald. Eine dieser Granitsäulen, der Domstein, liegt heute noch vor dem Südwestportal des Doms. Große Fenster beleuchteten diesen an den Wänden mit Marmor und Mosaiken verzierten Raum.

Im Laufe des 4. Jahrhunderts entstand so nach und nach eine der größten christlichen Kirchenanlagen der Antike von imperialer Größe. Der noch für aktuelle Verhältnisse gewaltige Doppelkirchenbau erstreckte sich über den heutigen Domvorplatz hinaus nach Westen bis fast zum Hauptmarkt und war damit etwa viermal so groß wie der heutige Dom, der 112,5 mal 41 Meter misst.

In den Wirren der Völkerwanderung in der 1. Hälfte des 5. Jahrhunderts wurde die Kirchenanlage zerstört. Wahrscheinlich lagen die Gebäude längere Zeit in eingeschränktem Benutzungszustand, bis Bischof Nicetius im 6. Jahrhundert die Nordkirche und den Kernbau des Gratian, dessen dicke Mauern die Zerstörung überstanden hatten, wiederherstellen ließ. Der Quadratbau erhielt dazu statt der Granitsäulen neue Säulen und Kapitelle, die man anderen römischen Bauten entnahm. Die Fenster wurden kleiner, der Boden mit Zerstörungsschutt um etwa vier Treppenstufen erhöht und mit einem Ziegelboden versehen. Insgesamt dürfte der Kirchenbau weniger repräsentativ und festlich gewirkt haben.

In frühmittelalterlicher Zeit nutzten die Christen Triers neben dem Quadratbau auch Teile der Kirchenanlage im Bereich des heutigen Domfreihofes und der Liebfrauenkirche. Bei einem Überfall der Normannen im Jahr 882 wurden jedoch auch die Kirchen des Dombereiches durch Brand weitgehend zerstört. Erst Bischof Egbert (977-993) begann eine Renovierung der Domkirche, die aber durch seinen Tod zum Erliegen kam.

Unter Erzbischof Poppo von Babenberg wurde dann nicht nur die Renovierung fortgeführt, sondern auch das Westwerk des heutigen Domes begonnen. Die neue Fassade des Westteils, deren Fertigstellung er nicht mehr erlebte, gehört zu den herausragenden Architekturleistungen des 11. Jahrhunderts. Eine architektonische Anlehnung an die spätantiken Großbauten Triers ist unverkennbar. Die Westapsis mit Krypta wurde zu jener Zeit von zwei gleich hohen Türmen flankiert, an deren äußeren Ecken runde Treppentürme saßen. Die Errichtung des spätromanischen Ostchores war eine Baumaßnahme des 12. Jahrhunderts.

Bald nach dessen Vollendung wurde die römisch konzipierte flachgedeckte Halle des Nicetius zu einer mittelalterlichen Kirche eingewölbt und einheitlich zu einer doppelchorigen Längskirche mit Mittelschiff und Seitenschiffen inklusive Emporen sowie einer Ost- und einer Westkrypta umgestaltet. Im 13. Jahrhundert wurde über den niedergelegten Resten der antiken Südkirche der Neubau der Liebfrauenkirche errichtet; auch der Kreuzgang entstand in dieser Zeit. Im 14. Jahrhundert erhielten die Osttürme durch Kurfürst Balduin von Luxemburg (1307-1354) gotische Turmgeschosse.

Von der mittelalterlichen Ausstattung des Kirchenraums sind noch bedeutende Teile wie Chorschranken, Grabdenkmäler und Bauplastik erhalten. Bedeutsam sind auch die vielen Grabdenkmäler der Trierer Erzbischöfe, denn seit dem 10. Jahrhundert wurde auch in Trier zunächst die Liebfrauenkirche, dann auch der Dom zur bevorzugten Grablege der Bischöfe.

Ein weiterer wichtiger Schritt hin zum heutigen Erscheinungsbild des Trierer Domes fällt bereits in die Neuzeit: Erzbischof Richard von Greiffenklau ließ Anfang des 16. Jahrhunderts (1515) den südlichen Turm im Westwerk aufstocken – eine symbolträchtige Antwort auf die Turmhöhe der Bürgerkirche St. Gangolf am Hauptmarkt.

Seit dem 17. Jahrhundert wurden im Innern des Domes größere barocke Umgestaltungen vorgenommen. Nach dem Ende des Dreißigjährigen Krieges begann Erzbischof Carl Casper von der Leyen (gestorben 1676) die Erneuerungen. Unter seinem Nachfolger, Erzbischof Johann Hugo von Orsbeck (gestorben 1711), entstanden dann unter anderem der altarähnliche Aufbau im romanischen Ostchor und die außen am Scheitel des Ostchors angefügte Heiltumskammer als letztes auffälliges äußeres Bauelement. Dieser Bau stellt ein überdimensionales Reliquiar für den Heiligen Rock dar, der heute in einem geschlossenen Holzschrein unter einem Glaszelt aufbewahrt wird.

Der Dombrand von 1717 erforderte schließlich auch am Bau selbst umfangreiche Änderungen: Der Dom wurde renoviert, wobei man im Bereich des Quadratbaus in den Seitenschiffen die gotischen Gewölbe ausbrach und ein Querschiff anlegte. Neue Altäre, barocke Grabdenkmäler, ein schmiedeeisernes Chorgitter und eine Schwalbennestorgel vollendeten im Laufe des 18. Jahrhunderts die "Barockisierung" der Domkirche.

Schon im 19. Jahrhundert begann man mit umfangreichen Restaurierungen des Doms, die zunächst zum Ziel hatten, das mittelalterliche Aussehen der Domkirche wieder herzustellen. Die letzte große Domrestaurierung wurde in den Jahren 1960 bis 1974 durchgeführt. Neben einer umfassenden baulichen Sanierung wurde auch das Innere des Doms neu gestaltet. Gemäß der Liturgiekonstitution des Zweiten Vatikanischen Konzils wurde der Altarbezirk neu konzipiert. Am 1. Mai 1974 wurde der neue Altar konsekriert und die Domkirche wieder in Dienst genommen.

Nach einer mehr als 1700-jährigen Tradition ist die einzigartige Baugruppe von Dom und Liebfrauen heute ein Kompendium europäischer Bau- und Kulturgeschichte.