Willigis, Erzbischof von Mainz und Erzkanzler des Heiligen Römischen Reiches, stiftete 990 n. Chr. eine Stiftskirche in Mainz und ließ die Kirche als „Gebetsstätte des Reiches“ errichten. Der Erbauer der Kathedrale wurde 1011 in St. Stephen’s beigesetzt.
Der neugotische Bau wurde zwischen 1290 und 1335 errichtet. Es steht auf den Fundamenten der Basilika, die um 990 im ottonisch-vorromanischen Stil erbaut wurde. Als der nahe gelegene Pulverturm 1857 in die Luft ging, wurde auch St. Stephan schwer beschädigt. Die reiche barocke Dekoration wurde während des Wiederaufbaus entfernt.
St. Stephan ist die einzige Deutsche Kirche, für die der Jüdische Künstler Marc Chagall (1887 – 1985) Fenster schuf. Er vollendete sein letztes Fenster kurz vor seinem Tod im Alter von 97 Jahren. Neunzehn spätere und bewusst bescheidenere Fenster in den Seitenschiffen von Charles Marq aus dem Atelier Jacques Simon in Reims führen zu den Meisterwerken. Chagall arbeitete 28 Jahre mit Marq zusammen.
