Mecklenburgs Fürst Heinrich Borwin II. gründete nur wenige Monate vor seinem Tod im Dezember 1226 das Kollegiatstift zu Güstrow. Der Bau der dazu gehörigen Kirche zog sich über mehrere Jahrzehnte hin; bis ins 16. Jahrhundert wurde sie noch mehrfach umgebaut. Das unterschiedliche Alter der einzelnen Gebäudeteile ist dabei gut erkennbar: Querschiff und westliche Chorteile sind durch Lisenen, Rundbogenfriesen und -portale sowie Lanzettfenster gekennzeichnet, während  spätere Teile des Langhauses und der Chorschluss weniger Schmuckelemente aufweisen. Innen wirkt das nicht allzu hohe, dafür aber breite Kirchenschiff etwas gedrungen.

Nach Reformation und Säkularisierung blieb der Dom ab 1552 etliche Jahre ungenutzt und begann zu verfallen. Glücklicherweise initiierte Herzogin Elisabeth 1565 seine Instandsetzung, sodass er von 1568 bis zum Erlöschen der Herzoglinie Mecklenburg-Güstrow 1695 als protestantische Hofkirche dienen konnte. Danach nutzte ihn die Stadtgemeinde als Kirche.

Zu den wertvollsten Ausstattungsstücken zählen die frühgotische Tauffünte aus gotländischem Muschelkalk und das Triumphkreuz aus der Mitte des 14. Jahrhunderts. Der Flügelaltar aus der Zeit um 1500 gehört zu den größten erhaltenen Altaraufsätzen Mecklenburgs. Er zeigt im Mittelteil die Kreuzigung, daneben 32 Heilige. In der Passionszeit ist der Altar gewandelt; auf 16 Tafelbildern ist der Leidensweg Jesu abgebildet. Bei geschlossenen Flügeln sind die vier Heiligen zu sehen, denen der Dom geweiht ist: Cäcilie, Johannes, Maria und Katharina. Erhalten sind auch Wandgräber aus der Renaissance, u. a. die des Erbauers des Güstrower Schlosses, Herzog Ulrich, und seiner beiden Ehefrauen, Elisabeth von Dänemark und Anna von Pommern. Jüngeren Datums ist die Orgel im Hauptschiff, die 1868 aus der Werkstatt des Orgelbauers Friedrich Lütkemüller nach Güstrow kam. In der Winterkirche im Nordschiff steht ein Dresdener Instrument aus dem Jahr 1996.

Weit über Güstrow hinaus ist der Dom durch drei Werke des Bildhauers Ernst Barlach bekannt, zu denen u. a. "Der Schwebende" im Nordschiff zählt. Das Ehrenmal für die Opfer des Ersten Weltkrieges wurde 1937 als "entartete Kunst" eingeschmolzen. Seit 1953 hängt ein Nachguss im Dom.

2003 begannen die sich über etliche Jahre erstreckenden Sanierungs- und Restaurierungsarbeiten. Fast 700.000 Euro der Gesamtkosten von rund 3,2 Millionen Euro konnten durch Spenden aufgebracht werden; auch namhafte Stiftungen beteiligten sich an der Finanzierung. Neben den Arbeiten an Dächern, Mauern und Fundamenten wurden auch die wertvollen Kunstgegenstände restauriert. Das aufwändigste Projekt war hier das Ulrich-Epitaph.