הקתדרלה ממוקמת על גבעת הקתדרלה (Toomemägi) הצופה לעבר נהר אמיוגי, במקום בו עמדה מצודה שהגנה על היישוב הפגני במאה השביעית לספירה. המצודה נהרסה בשנת 1224 עת שהעיר נכבשה בידי המסדר הליבוני כחלק ממסעי הצלב הצפוניים, ותושביה נוצרו, הוקמה בראש הגבעה מצודת הבישוף (Castrum Tarbatae), ששרידיה התגלו בחפירות ארכאולוגיות.
בניית קתדרלה באתר, בסגנון אדריכלות גותית החלה במחצית השנייה של המאה ה-13. הקתדרלה הוקדשה לקדושים הנוצרייםפטרוס ופאולוס. הקתדרלה תוכננה כבזיליקה, אולם שינויים מאוחרים נתנו לה מבנה גותי אופייני, כאשר חלקה המרכזי של הכנסייה נחנך בשנת 1470. הכנסייה הושלמה בשלהי המאה ה-15 עם סיום בניית מגדליה שהגיעו לגובה של 66 מטרים.
בשנת 1520 החלה הרפורמציה להשפיע על העיר טרטו, וב-10 בינואר1525 הותקפה הקתדרלה על ידי פרוטסטנטים ונהרסה. בעקבות ההרס הרב שנגרם לה ננטשה הכנסייה.
שרפה שפרצה בקתדרלה ההרוסה בשנת 1624 העצימה את הנזקים למבנה.
בשנת 1629 העיר נכבשה על ידי שוודיה. שרידי מבנה הקתדרלה שימשו כאסםתבואה. באמצע המאה ה-18 נעשה נהרסו מגדלי הכנסייה, וגובהם הופחת מ-66 מטרים ל-20 מטרים (גובה מבנה ספינת הכנסייה). שרידי המגדלים הפכו למגדלי שמירה, והוצבו בראשם תותחים.
עם הקמת אוניברסיטת טרטו (שנקראה אז אוניברסיטת דורפט (Kaiserliche Universität zu Dorpat), בהתאם לשם העיר באותה עת) הוחלט להפוך את שרידי הקתדרלה לספרייה עבור האוניברסיטה, ומבנה הספרייה בן שלוש הקומות הוקם בין השנים 1804–1807. אדריכל המבנה, יוהאן וילהלם קראוס הציע לבנות מצפה כוכבים בראש אחד המגדלים, אולם האוניברסיטה בחרה לבנות את מצפה הכוכבים באתר אחר.
מבנה הספרייה שופץ בשנות ה-60 של המאה ה-20, ובשנת 1881 עברה הספרייה למבנה ספרייה חדש, ובשנת 1985 הפך מבנה הספרייה הישן למוזיאון להיסטוריה של האוניברסיטה (Tartu Ülikooli ajaloomuuseum), המציג כלים מדעיים וספרים עתיקים.
במהלך המאה ה-19 עוצבה גבעת הקתדרלה כפארק ציבורי, ובו הוצבו אנדרטאות לאנשי רוח אסטונים.
