Powstanie najstarszej parafii w Tarnowie wiąże się z okresem lokacji miasta w pierwszej połowie XIV wieku. Kościół wzniesiony w północno - zachodniej części miasta, obecna Bazylika Katedralna, od początku nosił wezwanie Narodzenia Najświętszej Maryi Panny i prawdopodobnie mieścił się w obrysie obecnej nawy głównej. Był przypuszczalnie murowany i na tyle okazały, że w 1392 roku odbyła się w nim konsekracja biskupia Jakuba Strepy, późniejszego błogosławionego, na biskupa halickiego. 17 kwietnia 1400 roku na prośbę Jana z Tarnowa, kasztelana krakowskiego, biskup krakowski Piotr Wysz wyniósł tarnowski kościół parafialny do godności kolegiaty i powołał Kapitułę Kolegiacką, która w chwili erygowania liczyła 3 prałatury i 2 kanonie. Informacje na ten temat znaleźć można w "Rocznikach" Jana Długosza. Od tego czasu Kolegiata była już kościołem parafialnym dla Tarnowa i okolicznych wsi. W XV wieku rozbudowano kościół m.in. o zakrystie i kwadratową wieżę. W 1415 roku ufundowana została, zlokalizowana po stronie południowej, kaplica pw. Rozesłania Apostołów jako wotum za szczęśliwy powrót z wojny polsko - krzyżackiej. W schyłku XV wieku kościół dwukrotnie ucierpiał w pożarach miasta. Odbudowę i rozbudowę Kolegiaty zakończono w początkach XVI wieku.
Na przestrzeni od XIV do XIX wieku jednonawowa budowla obrosła szeregiem kaplic, wzbogaciła się także o zespół nagrobków przyściennych i epitafiów. Obecna nawa południowa powstała dzięki połączeniu kruchty oraz kaplic: Rozesłania Apostołów, Krzyża św, Matki Bożej Szkaplerznej oraz św. Benedykta. Nawa północna powstała w połowie XIX wieku przez połączenie w jedną całość kaplic: św. Anny, kruchty i Świętych Relikwii.
Około 1520 roku hetman Jan Tarnowski ufundował nagrobek matce Barbarze z Rożnowa. Pomnik o wymiarach 3,2 x 2,1 m. wykonany został w stylu przejściowym gotycko - renesansowym. Około roku 1536 Jan Tarnowski ufundował kolejny nagrobek - tym razem żony, Barbary z Tęczyna, a około 1550 roku nagrobek "Trzech Janów" - Jana Amora i jego synów, przyrodnich braci hetmana: Jana, wojewody sandomierskiego i Jana Aleksandra, zmarłego w dzieciństwie. Pierwotnie pomnik ten znajdował się w prezbiterium i był nagrobkiem piętrowym. W 1561 roku, gdy po śmierci Jana Hetmana Tarnowskiego przystąpiono do budowy pomnika ku jego pamięci, przeniesiono pomnik "Trzech Janów" do nawy północnej.
Nagrobek hetmana Jana Tarnowskiego i jego syna Krzysztofa zbudowano na północnej ścianie prezbiterium w latach 1561 - 1574. Twórcą pomnika jest Włoch Jan Maria Padovano. Nagrobek, wysoki na 13 metrów, szeroki na 6,60 m. został wykonany w części architektonicznej z piaskowca, kolumny, tablice i postacie z marmuru węgierskiego, inne detale z alabastru. Pomnik jest dwukondygnacyjny, jedyny motyw religijny to rzeźba Chrystusa Zmartwychwstałego na szczycie. Sceny batalistyczne przedstawiają pochód spod Obertyna, zdobycie Staroduba podczas wojny z Moskwą oraz bitwę pod Chocimiem. W późniejszym czasie przybudowano do pomnika Tarnowskich nagrobek córki hetmana - Zofii Ostrogskiej, ufundowany przez męża Konstantego Wasyla Ostrogskiego.
Na południowej ścianie prezbiterium znajduje się, zbudowany w latach 20. XVII wieku późnorenesansowy nagrobek Ostrogskich poświęcony Januszowi Ostrogskiemu i jego pierwszej żonie Zuzannie. Pomnik ma wymiary 12,90 metrów wysokości oraz 7,90 szerokości. Kolejny pożar zniszczył tarnowską kolegiatę w roku 1663, remont kościoła przeprowadzono w latach 1667 - 1671. W XVII wieku kościół pokryty został dachówką (1736 - 1740), postawiono też nową ambonę, zbudowano nowe organy i położono posadzkę.
W roku 1786, w związku z utworzeniem przez papieża Piusa VI Diecezji Tarnowskiej, świątynia otrzymała tytuł Katedry. W tym też okresie zlikwidowany został najprawdopodobniej istniejący przy kościele cmentarz. W 1805 roku diecezja tarnowska została jednak zlikwidowana, a katedra pełniła rolę kościoła farnego. W 1814 roku kościół zwiedził ówczesny cesarz Franciszek I z żoną. W latach 1810 - 1816 dokonano kolejnej przebudowy świątyni, przebudowana i podwyższona została też wieża kościelna. W 1826 Tarnów ponownie stał się siedzibą biskupią, a papież Leon XII przywrócił kościołowi status katedry. Kolejny remont kościoła miał miejsce w latach 50. XIX wieku, a obecny kształt bryły zewnętrznej zawdzięczamy pracom wykonanym w latach 80 XIX. wieku, kiedy nadano nowy kształt m.in. katedralnej wieży.
Papież Paweł VI listem Apostolskim "Cum beatissima" z dnia 14 kwietnia 1972 roku nadał katedrze tarnowskiej tytuł Bazyliki Mniejszej.
W obecnej formie katedra tarnowska jest zbudowana na planie podłużnym, trzynawowa z wydłużonym prezbiterium zamkniętym trójboczną absydą oraz dobudowaną ze strony zachodniej wysoką na 72 metry wieżą ozdobioną w 1898 roku koroną. Wewnątrz kościoła zachowały się m.in. pochodzące z przełomu XV i XVI wieku gotyckie stalle kanonickie. Pierwotnie umieszczone w prezbiterium zostały stamtąd przeniesione prawdopodobnie w czasie budowy nagrobków Tarnowskich i Ostrogskich. Obecnie stoją po obu stronach wejścia pod chórem muzycznym. Na uwagę zwiedzających zasługuje również drewniana rzeźba Chrystusa Frasobliwego z początku XVI wieku oraz epitafia, z których najstarsze, pochodzące z XVI wieku, znajdujące się w przedsionku pod wieżą, poświęcone jest Wojciechowi Kuszczycowi. W nawie południowej znajduje się łaskami słynąca figura Matki Bożej Bolesnej - "Pieta". Drewniana figura wykonana została w XVII wieku. Od początku wieku XX znajdowała się ona w przedsionku katedry, w roku 1987 została przeniesiona do nowo wykonanego ołtarza Matki Boskiej Bolesnej, a w roku 2000 poddana gruntownej konserwacji. Wybitnym dziełem architektoniczno - rzeźbiarskim jest również neorenesansowy nagrobek Eustachego Sanguszki, zlokalizowany w kaplicy Najświętszego Sakramentu. Budowa pomnika zmarłego w 1903 roku Eustachego Sanduszki rozpoczęta została w roku 1906, prace zakończono w roku 1910.
Na wschodniej, zewnętrznej ścianie katedry, umieszczono w 1899 roku wizerunek Chrystusa Ukrzyżowanego. W jego pobliżu w roku 1981 wzniesiono pomnik Jana Pawła II wykonany według projektu Bronisława Chromego.
W siedmiu miejscach katedry znajdują się podziemne krypty. W listopadzie każdego roku dostępna jest krypta Biskupów Tarnowskich. Znajdują się w niej grobowce: ks. Abpa Jerzego Ablewicza, ks. Bpa Józefa Wojtarowicza oraz ks. Andrzeja Tarło, prepozyta kapituły. Pozostałe krypty nie są udostępniane. Również eksponaty zgromadzone w skarbcu katedralnym nie są udostępniane zwiedzającym.
