Konrad II. ließ mit dem Dom zu Speyer ab ca. 1027 die längste Kirche der Welt errichten. Die Baumeister des Doms waren Bischof Reginbald und Abt Gumpert. Als Konrad II. 1034 starb war der Dom etwa bis zur Höhe der Grundmauern errichtet, so dass der Kaiser inmitten einer Baustelle beigesetzt wurde. Zum Schutz wurde sein Sarkophag mit Eisenbändern umschlossen. 1043 wurden unter Kaiser Heinrich III. die Ostteile geweiht. Die Domweihe konnte im Jahr 1061 gefeiert werden.
Unter Konrads Enkel Heinrich IV. und seinen Baumeistern Benno von Osnabrück sowie dessen Nachfolger Otto von Bamberg wurde der Dom bereits 30 Jahre nach seiner Vollendung in großen Teilen umgebaut. Die Überwölbung des Mittelschiffs, die vier hohen Türme im Osten und Westen und die Zwerggalerie sind im Zuge dieses Umbaus entstanden. Nach den Zerstörungen während des Pfälzischen Erbfolgekriegs 1689 erhielt der Dom unter dem Architekten Franz Ignaz Neumann einen barockisierten Westbau. Dieser wurde im 19. Jahrhundert unter dem Karlsruher Baumeister Heinrich Hübsch auf Geheiß des bayerischen Königs Ludwig I. durch einen neoromanischen Westbau ersetzt.
Der Speyerer Dom besteht somit heute aus Teilen der ersten Bauphase unter Konrad II. (auch als Bau I bezeichnet), des Umbaus unter Heinrich IV. (Bau II), Veränderungen der Barockzeit und dem verhältnismäßig jungen Westbau. Seinen Weltruhm verdankt der Dom neben seinen Ausmaßen der hohen Integrität des Baukörpers, die dieser im Verlauf der Jahrhunderte behielt. Er wird seit etwas mehr als einem Jahrhundert als romanischer Dom bezeichnet. Die Benennung des Baustils „Romanik“ stammt aus dem 19. Jahrhundert und wurde in Frankreich geprägt. Gemeint war damit ursprünglich durchaus etwas abschätzig ein Baustil, der sich an die römische Architektur anlehnte, diese aber nicht erreichte. Kennzeichnend sind die halbrunden Abschlüsse der Fenster und Türen sowie ein additives System aus Raumeinheiten. Am Speyerer Dom finden sich sowohl Bauformen der frühen Romanik als auch der Hochromanik. Die Krypta als der älteste Teil des Doms zeigt eine absolut geometrische Raumaufteilung, die durch die wechselfarbigen Gurtbögen sowie die frühromanischen Würfelkapitelle betont wird.
Die Zwerggalerie, das Querhaus mit den gestuften und verzierten Fensteröffnungen und den Wandkapellen sowie die Überwölbung des Mittelschiffs zeigen einen hochromanischen Baustil der europaweit Nachahmer fand. Diese Bauteile sind charakteristisch für den Dom zu Speyer und stilprägend für die Romanik. Mit der Zwerggalerie wurde erstmals ein begehbarer Säulenumgang geschaffen, der alle Bauteile des Doms umschloss. Im Querhaus wurde die Bautechnik soweit verändert, dass die Last der Gewölbe auf Eckstützen und Mittellisenen auflag, was die Vergrößerung der Fensteröffnungen und die Aushöhlung der Wand durch Kapellen ermöglichte und die „Auflösung der Wand“ in der Gotik vorweg nahm. Mit der Überwölbung des Mittelschiffs war die größte Spannweite seit der Antike geschaffen. Das Kreuzgratgewölbe wurde dabei so gegliedert, dass einem Joch im Mittelschiff jeweils zwei Joche in dem bereits zuvor überwölbten Seitenschiff entsprachen. Dadurch waren Seitenschiffe und Mittelschiff miteinander verbunden, was als das „gebundene System“ in die Kunstgeschichte einging.
Im Barock wurden die eingestürzten Teile des Langhauses in identischer Manier wieder neu gebaut. Der Vierungsturm erhielt ein geschweiftes Dach, das er bis heute trägt. Weitere Eingriffe dieser Zeit sind die nach dem Baumeister Leonhard Stahl benannten „Stahl‘schen Verstärkungen“. Der stärkste Eingriff waren hier die Verstärkungen der westlichen Vierungspfeiler. Der unter Franz Ignaz Neumann errichtete Westbau wurde im 19. Jahrhundert durch einen neoromanischen Westbau ersetzt. Wie der barocke Vorläufer besitzt dieser im Kern bis in die Höhe des ersten Geschosses noch romanische Bausubstanz.
Die heutige Westansicht des Doms wurde im 19. Jahrhundert durch den Karlsruher Baudirektor Heinrich Hübsch geprägt. Er orientierte sich dabei an den vorhandenen romanischen Bauformen, variierte diese jedoch zeitgemäß. So übernahm er den am Dom an zahlreichen Stellen sichtbaren Farbwechsel zwischen gelbem und rotem Sandstein, gab dem Stein jedoch eine sehr viel glattere und feinere Oberfläche. Im Inneren war der Dom zuvor durch die Ausmalung im Stil der Nazarener stark verändert worden. So wurden Fensteröffnungen und Nischen vermauert und Gesimse abgeschlagen, um Raum für die Malerei zu schaffen, die alle Wandflächen, Gewölbe, Fensterlaibungen, Pfeiler und Säulen überzog.
Eine große Restaurierungskampagne unter der Leitung des Architekten Rudolf Esterer hatte sich Mitte des 20. Jahrhunderts zum Ziel gesetzt, die ursprüngliche romanische Bauform wieder heraus zu arbeiten beziehungsweise sichtbar zu machen. Zu diesem Zweck wurden die Querhausgiebel rekonstruiert und der Chorgiebel umgeformt, was im Wesentlichen auf den Kunsthistoriker Dethard von Winterfeld zurückgeht. Im Innern wurden sämtliche Ausmalungen des 19. Jahrhunderts entfernt. Der Fußboden wurde um einen halben Meter auf das ursprüngliche Niveau tiefer gelegt.
Im 21. Jahrhundert wurde der über der Vorhalle befindliche Kaisersaal untersucht, gesichert und mit einer Dauerausstellung einiger der abgenommenen Schraudolph’schen Fresken für Besucher geöffnet. Der Raum bekam dazu vom damaligen stellvertretenden Dombaumeister Mario Colletto eine neue, zeitgemäße Ausstattung und Fassung.
