Nachdem der römische Mercurius-Tempel in Köln um 390 abgebrannt war, entstand daneben eine Kirche, die im 9. Jahrhundert durch den so genannten „Alten Kölner Dom“ ersetzt wurde.

1164 brachte Reinald von Dassel – der damalige Reichskanzler und Erzbischof von Köln – die angeblichen Gebeine der Heiligen Drei Könige als Geschenk Kaiser Friedrich Barbarossas von Mailand nach Köln, und für die Aufbewahrung der Reliquien schuf der Goldschmied Nikolaus von Verdun in seiner Werkstatt 1181 bis 1230 einen kostbaren Schrein (Dreikönigsschrein). Weil der Kölner Dom dadurch zu einer bedeutenden Wallfahrtsstätte wurde und die existierende Kirche sich bald als zu klein für die Pilgerströme erwies, ließ Erzbischof Konrad von Hochstaden das bestehende Gebäude abreißen und am 15. August 1248 den Grundstein für einen hochgotischen Dom nach dem Vorbild der 1220 bis 1288 errichteten Kathedrale von Amiens legen. Das Domkapitel beauftragte Meister Gerhard mit den Bauarbeiten. Nachdem er 1260 vom Gerüst gestürzt und seinen Verletzungen erlegen war, folgten ihm Meister Arnold und dessen Sohn Johannes. 1322 wurde der Chor geweiht und mit einer provisorischen Wand nach Westen verschlossen.

1559 mussten die Bauarbeiten am Kölner Dom aus Mangel an Geld und Interesse eingestellt werden. Der Kran auf dem halb vollendeten Südturm gehörte jahrhundertelang zur Silhouette Kölns.

In der Absicht, das in den Freiheitskriegen gegen Napoleon entstandene Nationalbewusstsein der Deutschen zu fördern, rief Joseph von Görres (1776 – 1848) 1814 dazu auf, den Kölner Dom als deutsches Nationaldenkmal zu vollenden,

aber erst am 4. September 1842 legte König Friedrich Wilhelm IV. von Preußen den Grundstein für den Weiterbau.

Im Rahmen eines glanzvollen Festes, an dem Kaiser Wilhelm I. persönlich teilnahm, wurde am 15. Oktober 1880 der Schlussstein der Kreuzblume des Südturms gesetzt und damit das grandiose Bauwerk vollendet. Mit 157 Meter hohen Türmen war der fünfschiffige gotische Kölner Dom St. Peter und Maria damals das höchste Bauwerk der Welt und eine der größten Kirchen überhaupt (Länge: 144 Meter; Querhaus: 85 Meter; Mittelschiff-Innenhöhe: 43 Meter). Die 6952 Quadratmeter große Westfassade gilt als größte jemals gebaute Fassade.

Im Zweiten Weltkrieg wurde der Kölner Dom durch vierzehn Bomben schwer beschädigt, aber in jahrzehntelanger Arbeit stellte die Dombauhütte das Gebäude wieder her.

Die UNESCO erklärt den Kölner Dom 1996 als „Meisterwerk gotischer Architektur“ zum Weltkulturerbe. Als jedoch die Stadt Köln auf der anderen Seite den Bau von Hochhäusern zulassen wollte, riskierte sie eine Aberkennung der Auszeichnung.

Für die Gestaltung eines 22 m hohen Fensters im Kölner Dom gewann die Dombaumeisterin Barbara Schock-Werner den in Köln lebenden, fünfundsiebzigjährigen Maler Gerhard Richter. Der Künstler beklebte die 113 qm große Fläche mit tausenden von Scheiben (Kantenlänge: 9,7 cm) in zweiundsiebzig verschiedenen Farben. Gerhard Richter wollte dafür kein Honorar, und für die Herstellungskosten des Fensters kamen etwa 1200 Spender auf. Das neue Fenster ersetzte die Nachkriegsverglasung und wurde im August 2007 enthüllt.