Den startet sin tilværelse viet til Olav den Hellige, Norges evige konge, rundt år 1150. Siden har den brent fem ganger, og til overmål blitt truffet av en kanonkule i 1665. Kanonkulen står fremdeles i kirketårnet som et minne fra et slag på Vågen.
Opprinnelig var Kristkirken på Holmen domkirke i Bergen. Dagens domkirke var en liten soknekirke, helliget St. Olav.
Olavskirken ble overdratt til Fransiskanerordenen i første halvdel av 1200-tallet. I Norge ble fransiskanermunker gjerne kalt "barfotbrødre" eller "mindrebrødre". Disse munkene ønsket å tilbe Jesus slik Frans av Assisi gjorde det; ved å gi avkall på alt personlig jordegods.
Kirken deres bar preg av nøkternhet, den var énskipet og lite utsmykket.
Som fransiskanerkirke brant den to ganger, i 1248 og i 1270. Den andre gjenreisningen ble finansiert av Magnus Lagabøter.
Kong Magnus skal etter sigende være gravlagt i kirkens kor, men levningene hans er ikke funnet.
Ved reformasjonen i 1536-37 ble Olavskirken domkirke i Bjørgvin stift. På den tiden var Kristkirken på Holmen allerede revet. Etter reformasjonen ble Domkirken også den ene av byens to norske sognekirker.
Den nye Domkirken ble utbedret og utvidet, og fikk sitt første orgel fra Bremen. Etter hver brann (1623, 1640 og 1702) har kirken blitt gjenreist større og flottere.
Etter 1702-brannen fikk den nytt sideskip og sin karakteristiske tårnhjelm, i tillegg til et praktfullt orgel bygget av G. H. Glover fra Hannover.
Kirkegården som omkranset Domkirken, skal i følge Edvard Edvardsen ha blitt utvidet i år 1618 "for Pestens skyld". Edvardsen nevner også bispegården og bispegårdens hage, som skal ha vært særlig vakker og innholdsrik. Den hadde fiskepark, og alle slags urter og deilige trær, humle-hage, og frukttrær fra andre land, som fiken, vindrue, kastanje, koriander og laurbær, som ga avling under varme somre.
Denne hagen har forsvunnet i tidens løp, blant annet skal Bergen Katedralskole være bygd på en del av bispegårdens hage.
Arkitektene Christie og Blix restaurerte Domkirken i 1880-83. Rokokkointeriøret ble fjernet, og kirken fikk sin nåværende innredning. Det ble bygget nytt sideskip med fire slanke, gotiske søyler. Kirken fikk også nytt alter i kleberstein.
Kirkens orgel har siden blitt byttet ut to ganger. I dag kan vi lytte til et 61 stemmers orgel, bygget av Rieger Orgelbau i Østerrike. Sang og musikk er en sentral del av kirkens virksomhet, både i gudstjenestelivet og konsertvirksomheten i Domkirken.
Bergen Domkor og Bergen domkirkes Jentekor har Domkirken som sitt faste øvingssted og viktig konsertarena.
Domkirken hadde tårnvakt i kirketårnet fram til 1903, som i første rekke skulle holde utkikk etter tilløp til brann. Tårnvakten hadde tilhold i Domkirken fra 1624, og i 1646 kom det klare forordinger som gjorde Domkirken, Nykirken og Korskirken sentrale i byens brannvern: Kirketårnene skulle brukes til å oppbevare brannslukningsutstyr: 2 kar, 40 lærbøtter, 3 lange stiger, 3 brannhaker, 6 økser, 5 håndsprøyter og 12-16 liner med jernkrok i enden. I 1903 var nok denne utstyrslisten endret i forhold til Domkirken. Brannvakten i kirketårnet fikk ny arbeidsplass på Fredriksberg.