Kirken er en korskirke hvor det øst-vest-gående skipet danner hovedskipet, med alterpartiet i den østre delen og orgelet i den vestre. Altertavlen og prekestolen kom på plass kort etter innvielsen i 1697, men så satte Den store nordiske krig (1709-1720) en stopper for det videre arbeidet med interiøret. Først i 1720-årene kom kirkens første orgel på plass, bygget av Lambert Daniel Karsten, og det ble bygget gallerier og avlukker langs veggene. Tårnuret, som kom på plass i 1718 er landets eldste igangværende kirkeur.
Kirken har gjennomgått flere omfattende forandringer. Den viktigste er ombyggingen på 1850-tallet under ledelse av arkitekt Alexis de Chateauneuf. Utvendig fikk kirken sitt nåværende tårn, med bronsespiret som siden har vært en kjent silhuett i bybildet. Da det ikke lenger var mulig å skaffe den hollandske teglsteinen, måtte man bygge videre med rød tegl, noe man fremdeles kan se. Kirken fikk også dagens kongeinngang i sør, i den samme røde teglen.
Innvendig hadde kirken beholdt sitt barokke interiør gjennom hele 1700-tallet, men i pakt med 1850-årenes estetiske strømninger ble alt barokkinventar, med unntak av orgelfasaden, nå fjernet fra kirkerommet. Kirken fikk et gjennomført nygotisk interiør, og kom gjennom dette til å øve påvirkning på utviklingen av nygotikken i landet. Denne stilretningen skulle etter hvert dominere alle de nye kirkene i hovedstaden, med Vestre Aker kirke som den første i 1855.
Til byens 900-årsjubileum i 1950 ble kirken restaurert på ny, under arkitekt Arnstein Arnebergs ledelse. Kirken ble langt på vei tilbakeført til sitt opprinnelige barokk-interiør. Altertavlen, prekestolen og døpefonten ble hentet tilbake fra Kunstindustrimuseet og Prestenes kirke på Majorstua. Hugo Lous Mohrs store takmaleri ble til i årene 1936 - 50. Kapellet på sørsiden er tegnet av arkitekt Arneberg og sto ferdig i 1950.
I dag er kirken hovedkirke for Oslo bispedømme og menighetskirke for Oslo sentrum. Samtidig er kirken landets rikskirke, og en lang rekke begivenheter for landet og kongehuset markeres her. I tillegg er Oslo domkirke domprostens menighet.
Kirkebygget
Oslo domkirke het tidligere Vår Frelsers kirke og ble innviet i 1697 som byens tredje domkirke. Opprinnelig ble den bygget i barokkstil, men fikk i 1850 nygotisk interiør. I 1950 ble så kirken restaurert på ny, og ført tilbake til sitt opprinnelige barokke interiør.