« Cette cathédrale qui domine la plaine du Rhin serait restée gravée dans ma mémoire dans toute sa puissance et sa grandeur, même si je ne l'avais jamais revue », écrivait l'écrivaine Anna Seghers. Mille ans après sa
construction, cette imposante cathédrale continue de marquer l'identité de la ville et a façonné son histoire. Mayence, située au croisement d'anciennes routes commerciales, est devenue le centre ecclésiastique au nord des Alpes grâce à l'action de Saint Boniface à partir de 746/47 ; elle a reçu le titre de « Saint-Siège » lorsque Willigis (975-1011) a régné à Mayence.

Willigis, archevêque et archichancelier du Saint-Empire romain germanique, posa en 975 la première pierre de la cathédrale, inspirée de Saint-Pierre de Rome.
Au fil des siècles, sept couronnements royaux ont eu lieu dans la cathédrale de Mayence. Cependant, le nouvel édifice ne survécut pas au jour de sa consécration en août 1009 : un incendie détruisit le bâtiment et la cathédrale ne put être réutilisée qu'en 1036. Willigis fut donc inhumé à Saint-Étienne.

Le plus ancien élément conservé de la basilique romane à piliers date de cette époque : les battants en bronze du portail du marché. L'inscription sur cette porte cérémonielle indique le nom du constructeur et de l'artiste. La cathédrale comporte trois nefs, deux chœurs et de nombreuses chapelles annexes. Le chœur ouest avec le maître-autel est dédié à Saint Martin, le chœur est à Saint Étienne.

La cathédrale de Mayence est toujours entourée d'une enceinte presque complète. La « montagne de la cathédrale », construite au fil des siècles en grès rouge, contraste avec la chapelle romane Saint-Gothard, en pierre claire, que l'archevêque Adalbert fit construire avant 1137 comme chapelle privée des archevêques. Un crucifix datant de l'époque des Staufer y est conservé. Sur le cimetière, Ignaz Michael Neumann, fils du célèbre architecte baroque Balthasar Neumann, construisit les maisons de la cathédrale en 1778/79. Il les dota de toits en pierre résistants au feu.

Au cours des siècles, la cathédrale avait brûlé sept fois et la peur du feu était grande. Après avoir été frappée par la foudre, la tour ouest a été dotée en 1767 par Neumann d'une nouvelle flèche qui reprend les formes du clocher gothique. Elle a été construite en pierre et non plus en bois comme auparavant.

Le chœur oriental, avec ses murs de plus de deux mètres d'épaisseur, est la partie la plus ancienne de la cathédrale. Sa tour centrale a été partiellement détruite en 1793 lors du bombardement de Mayence et a été reconstruite au début du XIXe siècle. L'architecte municipal Georg Moller a conçu une coupole ronde en fer, qui a ensuite été retirée au profit d'un toit pointu de style historique. Les chapiteaux du portail Notre-Dame, réalisés par des tailleurs de pierre lombards vers 1100, constituent une décoration particulière. Au XIXe siècle, une crypte construite dans le style du XIe siècle a été découverte sous le chœur est.

Le chœur ouest de style roman tardif a été construit entre 1200 et 1239. Sa tour de croisée a été dotée d'un clocher gothique au XVe siècle. Les stalles rococo sculptées de 1767 ont été sauvées de la vente par l'évêque Joseph Ludwig Colmar, nommé par Napoléon. C'est également Colmar qui a convaincu l'empereur des Français de ne pas démolir la cathédrale après la sécularisation de 1803.

Depuis 1928, les évêques sont inhumés dans la nouvelle crypte située sous le chœur ouest. Sur les 84 évêques et archevêques qui ont régné après Boniface, 45 sont enterrés dans la cathédrale. De nombreux monuments funéraires datant du XIe au XXe siècle sont fixés aux piliers et aux murs de l'église et du cloître. Les représentations souvent idéalisées des dignitaires ecclésiastiques reflètent l'histoire du diocèse de Mayence. Son caractère complet et son bon état de conservation font de cette galerie de portraits l'une des attractions les plus importantes de la cathédrale. Les anciennes peintures murales et vitraux n'ont pas été conservés. Les peintures murales de la nef centrale, réalisées d'après les dessins du peintre Philipp Veit, associé aux Nazaréens, datent du siècle dernier.

L'autel dédié à Marie dans la chapelle Ketteler, avec la « belle Mainzerin », constitue un pôle d'attraction. Le groupe de statues en bois de style gothique tardif (vers 1510) est l'œuvre du sculpteur Hans Backoffen, dont l'atelier a réalisé trois monuments funéraires dans la cathédrale.
Le cloître du XVe siècle comporte deux étages. Les bâtiments annexes abritaient autrefois les chanoines. Aujourd'hui, ils accueillent le musée épiscopal et diocésain. Les salles d'exposition restaurées de style gothique tardif permettent d'admirer des trésors artistiques religieux de la fin du Moyen Âge et de l'époque moderne.