Wohl bald nach der Verlegung der Siedlung Villingen vom Bereich der Altstadtkirche an ihre heutige Stelle begannen in der neu gegründeten Stadt Bauarbeiten zu einer großen Pfarrkirche, einem der Vorgängerbauten des heutigen Münsters. Umfangreiche Grabungen in den Jahren 1978-1982 brachten Fundamentreste zweier älterer Bauten zutage. Bei einem dieser Vorgänger handelte es sich um eine Saalkirche mit dreiabsidalem Abschluss. Zu einem weitgehenden Neubau dürfte es nach einer vermuteten Zerstörung durch Kaiser Heinrich IV. gekommen sein. Diese dreischiffige Basilika war - abweichend vom Vorgängerbau - mit rechteckigem Hauptchor versehen, die Seitenschiffe schlossen nach Osten mit halbrunden Absiden ab. Die im heutigen Bau erhaltenen und bedeutenden Teile der spätromanischen Vorgängerkirche verweisen auf die Verwandtschaft zur von Straßburg beeinflussten Architektur des Oberrheingebietes. Aus der Romanik blieben vor allem das Stufenportal der Westfassade, das Doppelportal des südlichen Seitenschiffs, die beiden Langhaussäulen und die Turmunterbauten bewahrt. Das Doppelportal des südlichen Seitenschiffs weist besonders anschaulich auf das Südquerhausportal des Straßburger Münsters hin.
Vermutlich nach dem verheerenden Stadtbrand im Jahre 1271, bei dem auch das Münster nicht ohne Schaden geblieben sein dürfte, nahm man im späten 13. Jahrhundert einen Neubau in Angriff, der wohl die ganze Kirche umfassen sollte, dessen Ausführung jedoch nur im Chorbereich und Teilen der Chorflankentürme vollzogen wurde. Anstelle der älteren Nebenapsiden entstanden Chorflankentürme, deren gewölbten Erdgeschossräume sich jeweils kapellenartig zu den Seitenschiffen öffnen. Für die alte Rechteckchorlösung entstand später ein kreuzrippengewölbter, hochgotischer Chor mit zwei Jochen und 5/8 Schluss.
Im Laufe des 14. Jahrhunderts vergrößerte man das Münster, indem man die Seitenschiffaußenmauern (an der Südseite zusammen mit dem romanischen Doppelportal) um ca. 2 m nach außen versetzte und sie somit auf die Außenmauern der Türme fluchtete. Damit verbunden dürfte ein Erhöhen des Obergadens gewesen sein, wobei man wohl dessen Fenster einfach nur höher setzte. Die Mehrzahl der Arkadenstützen wurden überformt bzw. neu gearbeitet, um dann Spitzbogen zu tragen. Nur zwei spätromanische Säulen, jene zwischen der 3. und der 4. Arkade, blieben erhalten.
Das ausgehende 14. Jahrhundert brachte dem Münster auch eine Erhöhung des Mittelschiffdachs, um das bislang mit einer flachen Decke versehene Langhaus jetzt mit einer hölzernen Tonne überspannen zu können. An der Innenseite des Westgiebels erhaltene Wandmalereien mit Rankenmotiven folgen der Krümmung der im 18. Jahrhundert entfernten spätgotischen Holztonne.
Eine dendrochronologische Untersuchung erbrachte für das Dachwerk des Langhauses das Datum 1399 (d).
Weitere Baumaßnahmen erfolgten in der Barockzeit nach 1701 im Münster. Das Langhaus erhielt eine stuckierte Flachdecke von Ignaz Bürkner, ebenso die Seitenschiffe, deren Fenster vergrößert wurden; man entfernte den Lettner und errichtete eine neue Sakristei.
Ab 1830 wurde die barocke Ausstattung des Münsters teilweise entfernt, 1851 die barocke offene Vorhalle (Vorzeichen) mit Kuppelhaube über dem Südportal abgerissen. Einen neuen Hochaltar schuf P. Metz / Gebratshofen, der seinerseits aber bei der Gesamtrenovierung 1905/9 durch den bestehenden Hochaltar ersetzt wurde.
Der nördliche Chorflankenturm wurde 1881 im Bereich von Obergeschoß und Helm erneuert, von dem südlichen Chorflankenturm wurden die beiden oberen Geschosse und der Helm ab 1905 in Anpassung an den Altbestand neu aufgebaut.
Die Jahre 1905-1909 brachten eine grundlegende Neudekoration des Chores in neogotischen Formen. Im Zusammenhang damit entstanden Wandgemälde von Franz Schilling, ein neuer Hochaltar von den Gebr. Marmon/Sigmaringen und farbige Glasfenster von Merzweiler/ Freiburg nach Vorlagen von Franz Schilling. Das Langhaus wurde oberhalb der Akadenscheitel in neoklassizistisch-jugendstilischen Formen den barocken Stuckdecken von Mittelschiff und Seitenschiffen angeglichen. Aus dieser Zeit stammen auch Kreuzweg, Wandtäfer und Windfänge in den Seitenschiffen.
Eine Restaurierung von 1978-81 bewahrte im wesentlichen den Zustand des beginnenden 20. Jahrhunderts. Der Fußboden wurde auf das spätmittelalterliche Niveau abgesenkt. Der Chorbereich erfuhr eine liturgische Neugestaltung.
1980-83 erhielten West- und Südportal Türflügel mit Bronzereliefs von Klaus Ringwald.

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