Tällä paikalla sijaitsi alun perin 1610-luvulla rakennettu puukirkko, joka purettiin huonokuntoisuutensa vuoksi. Daniel Hagmanin suunnittelema seuraava tuomiokirkko valmistui vuonna 1777. Oulun palo tuhosi sen puurakenteet vuonna 1822. Nykyinen kivikirkko valmistui vuonna 1832 C. L. Engelin uusklassisten piirrustusten mukaan. Kirkon huomattavin taideteos on vuonna 1611 maalattu Johannes Messeniuksen muotokuva.

Kirkkotarhassa pilvikirsikkapuiden katveessa on lasten oma puukirkko. Se on pienoismalli Oulun ensimmäisestä kirkosta, joka sijaitsi samaisella tontilla 1500-luvun lopussa.