Perimätietojen mukaan piispa Reinald aloitti tuomiokirkon rakennustyöt vuoden 1100 tienoilla. Kirkko valmistui noin vuonna 1125, jota Stavangerin kaupunki pitää myös perustamisvuotenaan. Kirkko pyhitettiin Pyhälle Kolminaisuudelle, ja sen suojeluspyhimykseksi nimitettiin Pyhä Swithun.
Vuonna 1272 Stavangeria runteli tulipalo, ja kirkko kärsi mittavia vaurioita. Se uudelleenrakennettiin piispa Arnen ollessa vallassa, ja romaanista kirkkoa suurennettiin goottilaiseen tyyliin.
1860-luvulla kirkkoa restauroitiin, ja kirkon ulkonäköä muutettiin laajalti. Kiviseinät rapautettiin, ja kirkko menetti suurimmilta osin keskiaikaisen ulkonäkönsä. Vuosina 1939-1964 suuri Gerhard Fischerin johtama restaurointioperaatio kuitenkin osittain poisti muutokset, ja palautti kirkon tyylin entiselleen. Viimeisin suuri kirkon entisöinti tapahtui vuonna 1999.
