Als katholische Bischofskirche von Magdeburg bildet die Kathedrale Sankt Sebastian seit 1994 den geistlichen Mittelpunkt des Bistums Magdeburg. Ihre Geschichte reicht jedoch weiter zurück, denn bereits im Jahr 1015 legte der damalige Magdeburger Erzbischof Gero den Grundstein der ersten Sebastianskirche.
Durch Feuersbrünste in den Jahren 1188 und 1207 wurde die damalige Stiftskirche so stark beschädigt, dass im 14. bzw. 15. Jahrhundert ein Neubau notwendig wurde, der St. Sebastian zu seiner heutigen Gestalt als gotischer Hallenkirche verhalf. Die Zeit des Dreißigjährigen Krieges hinterließ auch an diesem Gotteshaus seine Spuren, das in der Folgezeit zur Ruine verfiel und u.a. seinen Kreuzgang verlor. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts wurde St. Sebastian notdürftig hergerichtet, um darin wieder Gottesdienste feiern zu können. 1811 erfolgte aber die endgültige Auflösung des in der Reformationszeit protestantisch gewordenen Stiftes. Die napoleonischen Besatzungstruppen nutzten die Kirche dann als Lager, Feldschmiede und Werkstatt.
Als im 19. Jahrhundert immer mehr katholische Christen aus den katholischen Gebieten Preußens nach Magdeburg zogen, wurde eine geeignete Kirche für diese wachsende Gemeinde gesucht. Nach einigen Jahren als Gäste in St. Katharinen und dem Liebfrauenkloster, konnte schließlich die Sebastianskirche, die inzwischen als Wollmagazin fungierte, 1873 von der Stadt Magdeburg gekauft und wieder hergerichtet werden. Nach aufwendigen Restaurierungs- und Umbaumaßnahmen wurde 1878 die erste Heilige Messe nach der Reformation hier gefeiert.
Beim Bombenangriff auf Magdeburg am 16. Januar 1945, der weite Teile der Stadt zerstörte, wurde auch St. Sebastian schwer beschädigt. Da der Dom und andere evangelische Kirchen der Stadt noch stärker getroffen waren, fanden in St. Sebastian in der frühen Nachkriegszeit auch evangelische Gottesdienste statt. Die neuen politischen Verhältnisse im Land machten es notwendig, dass ab 1949 ein Weihbischof des Erzbistums Paderborn, zu dem Magdeburg gehörte, dauerhaft an St. Sebastian residierte, um die Organisation des kirchlichen Lebens in diesem Gebiet zu garantieren. In den fünfziger und achtziger Jahren gab es umfangreiche Restaurierungsarbeiten und Neugestaltungen im Außen- und Innenbereich der Kirche, die 1994 mit der Errichtung des Bistums Magdeburg zur Bischofskirche erhoben wurde und seitdem den Titel Kathedrale trägt.
Die letzten Umbauarbeiten konnten 2004 vollendet werden. Seitdem verfügt St. Sebastian wieder über einen Kreuzgang mit Kapitelsfriedhof und ein neuerrichtetes Sakristeigebäude. Im Inneren wurde die Altarinsel mit ihren Funktionsorten neugestaltet und in die Vierung der Kirche verlegt; die Fertigstellung der neuen Hauptorgel erfolgte 2005.