Építéséhez 1822-ben kezdtek hozzá az esztergomi Várhegyen a régi királyi vár romjain, amikor az érsekség visszatért Esztergomba Nagyszombatról, ahová még a török elől menekült. Az alapkőletétre április 23-án került sor Szent Adalbert ünnepén.

Rudnay Sándor grandiózus terveivel elhatározta, hogy a magyar Siont teremti meg a városban, és ismét az ország egyházi központjává teszi Esztergomot. A Várhegyet betakaró épületegyüttest terveztetett, amelynek makettje ma is megtekinthető a bazilika kincstárának előterében. Pénz hiányában végül a komplexumnak csak egyes részei készültek el: maga a székesegyház, az Ószeminárium épülete, a Sötétkapu és az érseki palota. Az építkezést a bécsi udvar nem nézte jó szemmel. Ellenezték és megpróbálták meghiúsítani, hogy Esztergomban épüljön fel a Habsburg Birodalom legnagyobb temploma, olyan, amilyen még Bécsben sincs. 1831-re elkészült a hatalmas, óegyiptomi stílusban épült altemplom, és felhúzták az oldalfalak nagy részét is. 1831-ben Kazinczy így ír az altemplomról: „Egyiptusi lélek szállja meg a nézőt, midőn itt a temérdek izmú oszlopokat látja...”[3] Hét évvel később Packh Jánost, az építés vezetőjét meggyilkolták. A hercegprímás ekkor Hild Józsefre bízta az építkezés vezetését, aki módosította a terveket, például a keleti homlokzatot, így neki köszönhető a bazilika végső formája. 1846-ban került fel a kereszt a kupola tetejére. Az 1848-as szabadságharcot követően Scitovszky János, az újonnan kinevezett érsek türelmetlenül sürgette a főtemplom elkészültét. Az eredeti Szent Adalbert-templom részéből fennmaradt reneszánsz stílusú Bakócz-kápolnát 1600 darabra szedték szét és így építették be a bazilika testébe. A bal oldali harangtoronyban található a közel hat tonnás Nagyboldogasszony-harang.

A bazilika felszentelésére 1856. augusztus 31-én került sor, még jóval a befejezése előtt. A ceremónián Ferenc József is részt vett. A felszentelésre írta Liszt Ferenc az Esztergomi misét, amelyet ő maga vezényelt bemutatásakor.

A II. világháború alatt a bazilika súlyos sebeket kapott, körülbelül 95 gránát és bomba hullott rá. Az oszlopcsarnok egyik oszlopát szétlőtték, és a kupola héjazata elpusztult.

Három harangja van. Mindegyik a déli oldaltoronyban. A nagyharang 5827 kilogrammos, átmérője 218,5 cm, Szlezák László öntötte 1938-ban. Elődje 5467 kilogrammos volt, amely 1930-ban megrepedt ezért újra kellett önteni. A harangot Schaudt András öntötte. A középharang 280 kilogrammos, átmérője 81 cm, Schaudt András öntötte 1858-ban Pesten. A lélekharang 20 kilogrammos, átmérője 31 cm, Budán öntötte Joseph Steinstock. A harangon az 1751-es évszám olvasható. Ez azt jelenti hogy a harangot az egyházközség készen vásárolta.