Unikankareen kummulla on seissyt jo yli 700 vuoden ajan kirkkorakennus. Kirkon pitkästä historiasta saa viitteitä vaikkapa seiniä tarkastelemalla; seinistä huomaa helposti rajakohtia, joista voi päätellä mitkä osat on rakennettu yhtäaikaisesti ja mistä alkaa uudisrakentaminen. Tuomiokirkon vanhimmat osat ovat peräisin 1280-luvulta. Alkuperäinen kirkko oli keskiaikainen hallikirkko ja se vihittiin käyttöön 17. kesäkuuta 1300. Vastaavanlaisia hallikirkkoja löytyy edelleen Turun lähikunnista, mutta Turun tuomiokirkko on maamme ainoa keskiaikainen katedraali.
Suomi kuului kirkon rakennusvaiheessa Ruotsin vallan alaisuuteen ja kirkon rakentamiseen osallistuneet muurarimestarit olivat Uplannista, koska Suomen puolella ei ollut tuohon aikaan vielä kivirakentamisen perinteitä. Myöhemmin kirkon rakennustöihin osallistui myös saksalaisia muurareita.
Tuomiokirkko on kärsinyt useasti palovahinkoja historian saatossa. 1400-luvulla kirkko paloi mahdollisesti jopa viisi kertaa, mikä osaltaan edesauttoi mittavia laajennustöitä. 1400-luvun puolivälissä kirkon keskilaivaa korotettiin siten, että valo pääsisi kirkkoon yläikkunoista. Kirkkoa laajennettiin myös rakentamalla useita kuoria kirkon sivulaivojen viereen. Vuosisadan loppupuolella lisättiin torni ja rakennuksen itäpäätyyn rakennettiin kahdeksankulmainen Kaikkien Pyhien kuori, joka on nykyinen pääkuori, jossa alttari sijaitsee.
1500-luvulle tultaessa Tuomiokirkko oli saanut jo pitkälti nykyisen muotonsa. Merkittävimmät muutokset tämän jälkeen ovat koskeneet kellotornin korjauksia toistuvien tulipalojen seurauksena. Nykyinen kellotorni on C. L. Engelin suunnittelema ja se rakennettiin Turun palossa tuhoutuneen kellotornin tilalle.
Kirkkoa ympäröi 1470-luvulta alkaen Turun paloon asti 400 metriä pitkä kehämuuri, jonka rippeitä voi vielä nähdä kirkon pohjoispuolella sijaitsevan sakastin etupuolella. Muurin sisäpuolella oli myös joitain rakennuksia, joissa toimi aikanaan myös Turun akatemia. Suuren palon jälkeen päätettiin kuitenkin, että kirkon ympärille ei rakenneta enää rakennuksia. Syynä tähän olivat kirkon paloturvallisuuden parantaminen ja näkemys, jonka mukaan monumentaalisen Kansallispyhätön arvolle oli sopivaa jättää se seisomaan kummulle yksinään. Palon jälkeen rakennettiin kirkon pääsisäänkäynnin eteen Per Johan Gylichin suunnittelema suuri portaikko. Kirkko myös ympäröitiin aidalla, jossa kivipilareita yhdistää seppä Matts Kaerlen 1838 takoma rautaketju.
Kirkko edustaa paikallisen kiven käyttöä parhaimmillaan. Siitä löytyy lukuisia kivikierroksen varrella nähtäviä kivilajeja, kuten kauniita gneisseja, tonaliitteja, dioriittia sekä paikallisia graniitteja – kaikki hakattuina lohkareina kirkon alimmassa osassa. Lisäksi kirkon pohjoisseinällä on erittäin kaunis 1300-luvulla Tallinnassa veistetty kalkkikiviportaali. Kirkon sisääntuloaulasta oikealle käännyttäessä voi nähdä lattialaatoissa hienoja oikosarvisten fossiileja.