La cathédrale de Vilnius est la principale Église catholique romaine de Lituanie. Elle est située dans la partie médiévale de la ville de Vilnius qui est inscrite au patrimoine mondial de l'UNESCO. Elle est au cœur de la vie spirituelle en Lituanie et est vouée à saint Casimir.
Le sacre du Grand-duché de Lituanie y eut lieu. Dans ses cryptes et catacombes, de nombreuses personnes célèbres telles que : Vytautas le Grand, sa femme Anna, son frère Sigismond Ier Kęstutaitis, son cousin Švitrigaila, Casimir de Pologne, Alexandre Ier Jagellon, deux épouses de Sigismond II de Pologne : Élisabeth d'Autriche (1526-1545) et Barbara Radziwill y sont enterrées aux côtés d'autres.
A l'intérieur de la cathédrale, on dénombre plus de 40 œuvres d'art (fresques et peintures) datées entre le 16e et 19e siècle. Lors de la restauration de la cathédrale, furent découverts ce que l'on croit être l'autel et le plancher d'origine d'un temple païen construit à l'époque du baptême du Roi Mindaugas, en plus du reste de la cathédrale construite en 1387. Une fresque datant du 14e siècle, la plus ancienne fresque connue en Lituanie, a été découverte sur le mur d'une des chapelles souterraines.
On estime qu'avant le christianisme, le dieu païen balte Perkūnas était adoré à cet emplacement. Le roi Lituanien Mindaugas fit construire la cathédrale en 1251 après sa conversion au christianisme. Des vestiges de cette église archaïque quadratique à trois nefs et aux contreforts massifs ont été découverts à la fin du XXe siècle. Après la mort de Mindaugas en 1263, la cathédrale redevint un lieu de culte païen. En 1387, année où la Lituanie est officiellement convertie au christianisme, une seconde cathédrale de style gothique avec cinq chapelles est construite, mais celle-ci sera détruite par un incendie en 1419. Vytautas le Grand en fit construire une plus grande encore à sa place comprenant trois nefs et quatre tours à ses angles, en vue de son couronnement. Le voyageur flamand Guillebert de Lannoy remarqua des similitudes avec la cathédrale de Frombork. Les murs et les pilliers sont aujourd'hui toujours visible. En 1522 la cathédrale a été restaurée et le clocher construit sur le toit d'une tour défensive. Il dut être reconstruit, après l'incendie de 1530, et entre 1534 et 1557 de nouvelles chapelles et cryptes furent ajoutées. Avec ces multiples reconstructions la cathédrale acquit des éléments architecturaux liés à la renaissance
En 1529, Sigismond Auguste fut couronné grand-duc de Lituanie dans la cathédrale. Après un incendie en 1610 elle fut à nouveau reconstruite et deux tours en façades furent rajoutées. La cathédrale est endommagée pendant la guerre de 1655 et sera encore rénovée et re-décorée plusieurs fois.
Entre 1623 et 1636 à l'initiative de Sigismond III de Pologne, l'architecte de la Cour, Constantino Tencalla construisit la chapelle de saint Casimir de Pologne de style baroque en grès suédois. L'intérieur a été reconstruit en 1691-1692 et décoré de fresques de Michelangelo Palloni, et d'un autel en stuc de Pietro Perti (sculpteur et architecte italien baroque). En 1769, l'une des tours construite en 1666 s'écroula et détruisit les voûtes de la chapelle voisine tuant six personnes. Après l'accident, l'évêque de Vilnius Mgr Ignacy Jakub Massalski fit reconstruire la cathédrale. Les travaux commencèrent en 1779 et furent achevés en 1783 et l'intérieur fut terminé en 1801. L'aspect actuel de la cathédrale est dû à cette reconstruction, notamment grâce à Laurynas Gucevičius qui lui donna son style néoclassique. La façade principale est ornée des sculptures des quatre Évangélistes, sculptées par l'Italien Tommaso Righi'. Certains spécialistes soulignent la ressemblance de la cathédrale avec le style d'Andrea Palladio ou l'influence de Gucevičius, lui-même inspiré par Claude Nicolas Ledoux. L'influence du Palladianisme est évidente sur les façades latérales du bâtiment. Le manque de pureté de l'architecture classique, causée par l'ajout d'éléments baroques ou d'autres styles, a été critiqué par certains architectes.
Entre 1786 et 1792, trois sculptures de Kazimierz Jelski ont été placées sur le toit de la Cathédrale ; saint Casimir, au sud, saint Stanislas, au nord et sainte Hélène au centre. Ces sculptures ont été enlevées en 1950 et replacées en 1997. La sculpture de saint Casimir symbolisait initialement la Lituanie, celle de saint Stanislas la Pologne, et celle de sainte Hélène la Russie.
Les travaux de reconstruction du Palais Royal de Lituanie derrière la Cathédrale ont commencé en 2002. Ce bâtiment nouvellement érigé à considérablement modifié les abords de celle-ci.
La cathédrale et le beffroi ont été entièrement rénovés de 2006 à 2008. Les façades ont été repeintes, améliorant ainsi l'aspect extérieur des bâtiments et de leurs éléments qui n'avaient pas été rénovés depuis la restauration de 1990 en l'honneur de l'indépendance de la Lituanie.