Die erzbischöfliche St. Peter und Paul-Domkirche stellt das älteste Baudenkmal der Stadt dar. Ihre Anfänge gehen auf die Gründung des Posener Bistums im Jahre 968 zurück. 1962 verlieh Papst Johannes XXIII. der Kathedrale den Titel der Kleineren Basilika.
Den Bau der ersten Kathedrale - einer vorromanischen Dreischiffbasilika - begann ca. 968 Herzog Mieszko I. Diese wurde in den Jahren 1038-39 während der Reaktion des Heidentums und des Überfalls des böhmischen Herzogs Břetislavs zerstört. Der Bau einer neuen romanischen Basilika mit zwei Türmen, aus behauenen Steinen, dauerte von 1039 bis 1058. Etwa um 1243 wurde der östliche Teil der Basilika abgerissen. An dieser Stelle wurde (bis 1262) ein frühgotisches Presbyterium aus Ziegeln errichtet. In der Mitte des 14. Jahrhunderts wurde ein gotisches Schiff und um die Wende des 14. und 15. Jahrhunderts ein neues gotisches Presbyterium dazugebaut. Zur gleichen Zeit wurden die meisten Seitenkapellen erbaut. Der Brand im Jahre 1622 zerstörte das Kirchendach und die Turmhelme. In den Jahren 1636-50 wurde die Kathedrale gründlich, im barocken Stil, umgebaut. 1725 riss ein Sturm die Turmhelme und die Dächer ab; 1772 zerstörte ein großer Brand das Innere der Kirche. Während des bis 1783 dauernden Wiederaufbaus erhielt die Kathedrale barocke Formen. In dieser Zeit wurde auch die Fassade, nach einem Entwurf von Efraim Schroeger, umgebaut. 1790 stürzte der südliche Turm ab, die Vorderfassade wurde wiederum, diesmal nach einem Entwurf von Bonaventura Solari, umgebaut. Die klassizistische Fassade überdauerte bis 1945, als die Kathedrale während der Kämpfe um Posen sehr stark beschädigt wurde.
Durch einen glücklichen Zufall blieben die Kapellen rund um das Presbyterium und die Schiffe der Basilika erhalten. Dank dem in den Jahren 1948-1956 nach einem Entwurf von Franciszek Morawski ausgeführten Umbau erhielt die Kathedrale erneut gotische, aus der Wende des 14. und 15. Jahrhunderts stammende Formen.
Die Domkirche war Schauplatz vieler historischer Ereignisse, wie u.a. Beisetzungen mittelalterlicher Herzoge und Könige. Das Gotteshaus ist die älteste Nekropole der Herrscher der Piastendynastie.
Die Kathedrale ist eine Dreischiffbasilika, mit einem Rundgang um das Presbyterium. An die Seitenschiffen und den Rundgang grenzen 12 Kapellen und 2 Sakristeien. Die Kirche ist 81 m lang und 43,5 m breit. Die Höhe des Hauptschiffes beträgt 24,5m, die Türme sind ca. 62 m und die Türmchen über dem Rundgang 44m hoch. In der Fassade befindet sich ein spitzbogiges Stufenportal aus profilierten und glasierten Ziegeln. Über dem Portal befindet sich ein hohes gotisches Fenster mit einer Rosette, darüber ein gotischer Staffelgiebel mit Blenden. Die barocken Turmhelme wurden 1952 rekonstruiert. Im Presbyterium befindet sich das Kreuzrippengewölbe und in den Schiffen das Sterngewölbe. Die Buntglasfenster wurden von Wacław Taranczewski, Stanisław Powalisz und Maria Powalisz-Bardońska entworfen.
In der Kirche befinden sich viele wertvolle Kunstgegenstände. Der spätgotische Hochaltar aus dem Jahre 1512 stammt aus Góra in Niederschlesien. Es ist ein Schrankaltar, ein Polyptychon (Flügelaltar) mit zwei Paar beweglichen Flügeln. Im mittleren Teil stehen drei Figuren: die Gottesmutter mit dem Jesuskind, die hl. Barbara und die hl. Katharina. In den vier Fächern der Seitenflügel gibt es Skulpturen der 12 heiligen Frauen, über dem Altar ein spätgotisches Kruzifix und barocke Figuren der Gottesmutter und des hl. Johannes.
Spätgotisches Gestühl vom Beginn des 16. Jahrhunderts stammt aus Zgorzelec (Görlitz). Die spätbarocke Kanzel und ebenso das Taufbecken aus dem Jahre 1720 stammen aus der ehemaligen evangelischen Kirche in Milicz. An der Tragsäule hinter dem Bischofssitz hängt ein wertvoller flämischer Gobelin aus der 1. Hälfte des 17. Jahrhunderts.
Viele wertvolle Kunstgegenstände befinden sich in den Kapellen. In der Goldenen Kapelle, errichtet nach einem Entwurf von Franciszek Maria Lanci in den Jahren 1835-41 (unter Verwendung älterer Mauern) als Mausoleum von Mieszko I. und Bolesław Chrobry, stehen bronzene Statuen der beiden Herrscher, entworfen von Christian Rauch, und befindet sich ihre Grabstätte. In der hl. Kreuz-Kapelle befindet sich ein monumentales Grabmal der Familie Górki, errichtet 1574 von Hieronim Canavesi, das als das beste Werk der Renaissancebildhauerei in Großpolen gilt. Im Rundgang, neben der Tür zur Vikarsakristei, befindet sich das Grabmal des Bischofs Benedykt Izdbieński (gest. 1553) vom bekannten Bildhauer der polnischen Renaissance, Jan Michałowicz von Urzędów; neben dem Eingang in die Herz-Jesu-Kapelle eine frühgotische Grabplatte von Teodoryk Pradel (gest. 1383), gefunden an dieser Stelle unter dem Fußboden im Jahre 1954.
1990 kamen in die Domkirche 5 gotische und Renaissance-Erzgrabplatten aus dem 14. und 15. Jahrhundert zurück (ein Teil von ihnen entstand in der Nürnberger Vischer-Werkstatt), die während der deutschen Okkupation im zweiten Weltkrieg nach Deutschland verbracht und in Lagerräumen der Eremitage in Sankt Petersburg wiedergefunden wurden.
In der Kapelle des hl. Bischofs Stanislaus wurde 1995, anlässlich des 700. Jahrestages der Krönung Königs Przemysł II., eine von Marian Konieczny entworfene monumentale Bronzegrabplatte des Königs angebracht. Am Altar der Kapelle des hl. Martin befindet sich das Gemälde von Krzysztof Boguszewski aus dem Jahre 1628 Die Einreise des hl. Martins nach Amiens; der Heilige hat Gesichtszüge des Königssohnes Władysław.
Relikte der ältesten Dombauten findet man in der Krypta unter dem Schiffkörper. Neben dem frühesten Grabmal von Mieszko I. und Bolesław Chrobry hat sich dort ein beinahe halbes Sandsteintaufbecken mit einem Durchmesser von ca. 5m erhalten. Es wird vermutet, dass dies ein Rest des zur Zeit des Mieszko I., noch vor dem Entstehen der ersten Kathedrale, gebauten Baptisteriums ist (es wird als fast sicher angenommen, dass Mieszko I. im Jahre 966 die Taufe auf der Dominsel in Posen empfangen hat). Weiters sind in der Krypta Mauerreste der zwei ersten Dombauten, der vorromanischen und romanischen, zu sehen.