La catedral, atribuida al obispo Máximo, data de finales del siglo IV. El plan original preveía el desarrollo sobre un trazado de tres basílicas cristianas, dedicadas a San Salvatore, Santa Maria y San Giovanni Battista.

En 1490, por orden del cardenal Domenico Della Rovere de los Señores de Vinovo, comenzaron las obras de demolición de las tres antiguas basílicas y la construcción de un nuevo edificio según el diseño del escultor y arquitecto Amedeo da Settignano, que trajo al Piamonte las nuevas formas del Renacimiento. En 1491 se colocó la primera piedra y el 21 de septiembre de 1505 se consagró la catedral.

Turín, que se convirtió en capital del Ducado de Saboya en 1563, recibió la Sábana Santa en 1578, y durante el siglo XVII se decidió ampliar la catedral con el fin de crear un entorno digno para albergarla. En 1667 se llamó a Guarino Guarini, que ya estaba trabajando en la Real Iglesia de San Lorenzo, no lejos de la catedral, y en 1668 comenzó la construcción de la Capilla de la Sábana Santa. La cúpula, cuyas obras duraron 28 años, se terminó en 1694.

El campanario, dedicado a San Andrés, se construyó entre 1468 y 1470 a instancias del obispo Juan de Compeys, perteneciente a una prestigiosa familia de origen saboyano.

La catedral sufrió graves daños en un incendio en abril de 1997, que destruyó gran parte de la obra de Guarini. La Santa Reliquia fue puesta a salvo por los bomberos y ahora se conserva en la Catedral, en la última capilla de la izquierda, pero no es visible al público.