Kölnin tuomiokirkon historia alkaa roomanaikaisesta varhaisesta kristillisestä kaudesta. Pyhä Maternus, Kölnin piispa mainittiin vuonna 313. Piispanistuimen sijainnista ei tosin ole tietoa.[1]

Viimeistään 500-luvulla nykyisen katedraalin paikalla sijaitsi suuri kirkko. Noin vuonna 800 vanhan kirkon alueella sijainneiden pyhien rakennusten tilalle rakennettiin suuri karolingista arkkitehtuuria edustanut kirkko. Se vihittiin vuonna 873, ja sitä laajennettiin 900- tai 1000-luvulla.[1]

Keisari Fredrik I Barbarossa oli vuonna 1164 lahjoittanut arkkipiispalle Milanosta merkittäviä pyhäinjäännöksiä, jouluevankeliumissa mainittujen kolmen itämaan tietäjän reliikit. Kölnistä tulikin heti merkittävä pyhiinvaelluspaikka. Merkittäville pyhäinjäännöksille haluttiin rakentaa uutta tyylisuuntaa edustava juhlallinen säilytyspaikka.[1]

Uuden tuomiokirkon peruskivi laskettiin vuonna 1248. Rakennuksen goottilainen arkkitehtuuri perustui senaikaiseen ranskalaiseen arkkitehtuuriin, etenkin Amiensin katedraalin ja Pariisin Sainte-Chapellen katedraalin arkkitehtuuriin. Kölnin katedraalista oli tarkoitus tulla niitä suurempi, mikä merkitsi silloin tunnettujen kokorajoitusten ylittämistä. Katedraalin suunnittelija oli mestari Gerhard, josta ei tiedetä paljoakaan.[1]

Vuoden 1265 tienoilla valmistuivat ensimmäiset kappelit, ja niissä alettiin pitää messuja. Uuden sakariston alttari vihittiin vuonna 1277. Sisempi kuori vihittiin vuonna 1322. Tältä ajalta ovat peräisin ylemmän kuorin sisustus ja pilarien patsaat sekä mustasta kalkkikivestä tehty alttari, jossa on Carraran marmorista tehtyjä patsaita. Monet alkuperäiset keskiaikaiset ikkunat ovat säilyneet. Kuorin länsipäädyn erotti keskeneräisestä laivasta ja poikkilaivasta seinä useiden vuosisatojen ajan.[1]

Kun kuori oli saatu valmiiksi, vanhan kirkon viimeiset osat purettiin ja uusien tornien, poikkilaivan ja laivan rakennustyöt aloitettiin. Työt keskeytettiin vuonna 1520 kolmeksi sadaksi vuodeksi, jona aikana kirkko näytti raunioilta. Eteläinen seinä oli 56 metriä korkea, kolmasosa nykyisestä korkeudestaan, mutta jotkin seinät olivat vain viisi metriä korkeita. Tornin tyngän yllä oli puinen nostokurki, josta tuli kaupungin symboli sadoiksi vuosiksi.[1]

Kirkko suljettiin vuonna 1796 ranskalaisten vallattua Reininmaan, ja sitä käytettiin tallina, varastona ja vankilana. Osa rakennuksesta purettiin metallin saamiseksi ja polttopuiksi. Kirkko palautettiin liturgiseen käyttöön vuonna 1801. Siitä tuli piispanistuin jälleen vuonna 1821.[1]

 

Keskeneräinen kirkko vuonna 1856

Monet tunnetut saksalaiset vaativat kirkon rakennustöiden jatkamista, ja vuonna 1823 rakennusta alettiin jälleen kunnostaa. Preussin kuningas Fredrik Vilhelm IV laski rakennuksen viimeistelytöiden peruskiven 1842. Rahoituksesta vastasi suureksi osaksi kaupungin asukkaiden perustama Zentral-Dombau-Verein-yhdistys. Arkkitehteina toimivat Ernst Friedrich Zwirner ja Richard Voigtel. Julkisivusta tehtiin alkuperäisten piirrosten mukainen. Kuorin ja laivojen välinen seinä purettiin 1863, minkä jälkeen rakennuksen sisätila oli yhtenäinen. Kirkon tornit valmistuivat 1860- ja 1870-luvuilla, ja koko kirkko 1880. Valmistuessaan kirkko oli maailman korkein rakennus 157 metrin korkeudellaan.[1]

Kirkko kärsi vaurioita toisessa maailmansodassa, kun siihen osui 14 suurta pommia ja 70 palopommia sekä tykistötulta ja muita ammuksia.[1] Koska kirkon kaksoistorneja käytettiin pommituslentojen kiintopisteenä sodan aikana, sen tuhoamista pyrittin tietoisesti välttämään.[2] Osa kirkon seinistä sortui, mutta taideaarteet oli pelastettu turvaan. Rakennus korjattiin vuoteen 1956 mennessä, vaikka vaurioita on yhä näkyvissä.[1]

Kirkko nimettiin vuonna 1996 Unescon maailmanperintökohteeksi.[1]