Na miejscu obecnej Bazyliki Katedralnej prawdopodobnie w XII wieku powstał drewniany kościół. W XIV wieku zastąpiono go jednonawowym ceglanym z elementami rudy darniowej. Pozostałości gotyckiej świątyni odkryto podczas badań archeologicznych w 2015 roku. Rozbudowa do formy trójnawowej bazyliki nastąpiła w drugiej połowie XVII wieku, przeprowadzona przez braci Poncino. Fundatorem rozbudowy wykonanej "nakładem wspanialszym aniżeli królewskim" był prymas Maciej Łubieński.

Na przestrzeni wieków przy kolegiacie łowickiej pracowali znamienici europejscy artyści, m.in. Hieronim Canavesi, Jan Michałowicz z Urzędowa, Giovanni Battista Falconi, Tylman z Gameren, Konstanty Tencalla, Karol Bay, Efraim Szreger, Szymon Bogumił Zug, Jakub Fontanna, Jan Jerzy Plersch, Adam Swach.

Od 1992 roku kościół został Katedrą, a od 1999 roku uzyskał rangę Bazyliki. W 2012 roku wpisano łowicką świątynię na listę pomników historii.