Domkyrkan invigdes på sin nuvarande plats år 1730. Tidigare låg kyrkan nere vid älven, vid den dåvarande hamnen, där Stadshotellet ligger idag. Karlstad hade blivit stiftsstad 1647 och på kopparstick från 1600-talet kan man se en ganska ståtlig kyrka med hög spira. Den förstördes dock vid en stor stadsbrand 1719 och man beslöt att bygga den nya kyrkan på Lagberget, där den stod säkrare undan både brand och översvämningar. Kyrkan uppfördes under ledning av byggmästaren Christian Haller från Sachsen.

Domkyrkan är en korskyrka och var ursprungligen en regelbunden centralkyrka i form av ett grekiskt kors med lika långa korsarmar. Från början hade den inget torn i väster, utan kyrkklockorna satt i en klockstapel som stod strax intill själva kyrkobyggnaden. På taket över kyrkans mittpunkt fanns ett 10 meter högt trätorn som revs 1792. Det nuvarande kyrktornet invigdes år 1737. På tornets västfasad finns årtalet 1737 i smitt järn.

Från början hade tornet ett brädtak med en kula högst upp, men 1752 drabbades staden åter av brand och tornet skadades. När det renoverades fick det en låg metallhuv i barockstil med urtavlor. På äldre fotografier kan man se 1700-talstornet i stadens silhuett - men 1865 brann Karlstad än en gång. Stora delar av kyrkan klarade sig med bara rökskador, men tornet förstördes och måste än en gång byggas nytt. Då fick det sitt nuvarande nyklassicistiska utseende efter ritningar av arkitekten Albert Törnqvist. Hela 65 meter högt blev det, och i tornspiran byggde man in utrymmen för en tornvakt som skulle hålla utkik efter brand och andra faror.