XV a. pab. Lietuvos didžiojo kunigaikščio ir Lenkijos karaliaus Kazimiero Jogailaičio pastatyta ir Švč. M. Marijai, šv. Andriejui ir šv. Stanislovui dedikuota Karališkoji, arba Valavičių, koplyčia. Šios koplyčios kriptoje buvo laidojami karališkosios šeimos nariai, tarp jų ir šventumu garsėjęs karalaitis Kazimieras. Bažnyčiai leidus Kazimierą gerbti kaip šventąjį, Lenkijos ir Lietuvos valdovas Zigmantas Vaza ėmėsi statyti naują Šv. Kazimiero koplyčią, kuriai vieta atsirado iškeitus Vilniaus vyskupo Eustachijaus Valavičiaus (1572–1630) globotą koplyčią pietrytiniame kampe į Karališkąją koplyčią, tapusią Valavičių koplyčia. Iki 1630 m. Vilniaus vyskupo Eustachijaus Valavičiaus rūpesčiu koplyčia buvo perstatyta ir išpuošta.

Balto stiuko altoriaus centrinėje dalyje kabo ovalios formos paveikslas „Nekaltai Pradėtoji Švč. Mergelė Marija“, nežinomo autoriaus nutapytas XVII a. Šalia paveikslo – dvi alegorinės figūros iš stiuko. Koplyčios kupolo burių freskose – keturi evangelistai. Kupolo freskose – reikšmingiausi Švč. Mergelės Marijos gyvenimo įvykiai: Apreiškimas, Apsilankymas, Dangun Ėmimas ir Dievo Motinos karūnavimas.

Koplyčios išorinėje sienoje XVI a. įmūryta marmuro lenta su įspėjančiu lotynišku užrašu Violator operis infelix esto („Tebūnie nelaimingas kūrinio žalotojas“).

Ant koplyčios vakarinės sienos kabo Pranciškaus Smuglevičiaus paveikslas „Šv. Jonas Nepomukas prieš karalių Vaclovą“. Čekijos karalius Vaclovas IV norėjo pasisavinti Bažnyčios turtus, be to, tardė Prahos kanauninką Joną Nepomuką, kaip savo žmonos nuodėmklausį, įtardamas ją neištikimybe. Šv. Jonas Nepomukas neišdavė išpažinties paslapties, todėl, anot legendos, naktį buvo nustumtas nuo Karolio tilto į Vltavos upę.

Antkapinis paminklas prie rytinės sienos primena, kad čia palaidotas koplyčios fundatorius Vilniaus vyskupas Eustachijus Valavičius (1572—1630).

2024 metais koplyčia atšventinta, jos altoriuje rastos ir gerbiamos šv. Bonifaco relikvijos.

Arkikatedros didįjį altorių sudaro trys dalys. Pirmoji, įrengta kiek aukščiau už kitas, papuošta Dievo Apvaizdos ženklu; virš jo iškyla kryžius su Kristaus figūrėle. Antroji dalis išsiskiria puošniu tabernakuliu.

Tabernakulis – puošni dėžutė, skirta Švč. Sakramentui laikyti. Katedroje ji buvo papuošta iškaltais pasakojimais apie Didžiojo Ketvirtadienio įvykius: Paskutinę Vakarienę, Jėzaus patarnavimą mokiniams plaunant jų kojas, maldą Alyvų kalne. Tabernakulio viršuje įrengtas gaubtas kryžiui ar monstrancijai, šalia jo – Lietuvos ir Vilniaus vyskupijos globėjų – šv. Kazimiero ir šv. Stanislovo – skulptūrėlės.

Naujasis altorius, ant kurio dabar laikomos šv. Mišios, įrengtas 2007 m. pagal Vatikano II Susirinkimo nurodymus.

Centrinėje navoje ant piliorių sukabinti Dvylikos apaštalų paveikslai nutapyti Pranciškaus Smuglevičiaus.

Costantino Villani specialiai šiai šventovės erdvei nutapė 16 didelių paveikslų. Tai Lietuvoje išraiškingiausias paveikslų ciklas Šv. Rašto temomis. Žiūrint į altorių, kairėje pusėje pavaizduotos Naujojo Testamento temos, dešinėje – Senojo.

Dešinėje navoje, sienų plokštumose virš koplyčių tarp piliastrų, kabo aštuoni Senojo Testamento siužetus vaizduojantys paveikslai. Einant nuo šv. Kazimiero koplyčios link vargonų choro – „Žmogaus sutvėrimas“,
„Abelio nužudymas“, „Abraomo auka“, „Jokūbo sapnas“, „Juozapas kalėjime“, „Mozė ant Sinajaus kalno“, „Jozuės pergalė“, „Saliamono teismas“.

Kairėje pusėje kabo kiti aštuoni dailininko Costantino Villani paveikslai. Nuo zakristijos einant vargonų choro link – „Arkangelo Gabrieliaus apreiškimas Marijai“, „Jėzaus Kristaus gimimas“, „Kūdikių žudynės“, „Trijų Karalių pagarbinimas“, „Bėgimas į Egiptą“, „Kristaus krikštas“, „Kristaus guldymas į kapą“, „Šventosios Dvasios atsiuntimas“.

Koplyčios puošmena – „Šv. Mykolo Dievo Motinos“, dažniau vadinamos „Sapiegų Madona“, paveikslas. Šis Švč. Mergelės Marijos atvaizdas su pranciškonų šventaisiais Pranciškumi ir Bernardinu jau nuo XVI a. garsėjo
malonėmis ir stebuklais. Anksčiau buvęs Bernardinų bažnyčioje, vėliau paveikslas ilgą laiką priklausė Šv. arkangelo Mykolo bernardinių vienuolyno bažnyčiai. Nuo šios šventovės fundatoriaus giminės ir kilo pavadinimas „Sapiegų Madona“. Bažnyčioje paveikslo akivaizdoje patirti stebuklai buvo registruojami, o 1750 m. rugsėjo 8 d. atvaizdas buvo vainikuotas popiežiaus Benedikto XIV atsiųstomis karūnomis (aptaisas ir karūnos neišliko). Tai – ketvirtasis vainikuotas šventasis atvaizdas Lietuvos Didžiojoje Kunigaikštystėje (antrasis pagal senumą dabartinėje Lietuvoje).

2020-iais Katedros bendruomenės pastangomis Dievo Motinos ir Kūdikėlio Jėzaus karūnos atkurtos ir vėl puošia paveikslą.

Koplyčios kupolo dekoras pasakoja apie šv. Kazimiero pamaldumą ir dorybes. Nišose tarp langų matomos nuosaikumą, teisingumą, tvirtumą ir protingumą simbolizuojančios skulptūros.

Teisingumo dorybę vaizduoja moteris, dešinėje rankoje laikanti svarstykles – gebėjimo atlyginti pagal nuopelnus simbolį. Kairėje rankoje – kalavijas, skirtas apginti doruosius ir nubausti kaltuosius. Šalia pavaizduotas strutis – teisingumo simbolis. Tikėta, kad šis paukštis gali suvirškinti net geležį, o visos jo plunksnos vienodo ilgio.

Tvirtumo dorybę simbolizuoja moteris, apsivilkusi šarvais. Dešinėje rankoje ji laiko ąžuolo lazdą, rodančią dvasios stiprybę. Kaire ranka remiasi į koloną, reiškiančią pastovumą. Šalia pavaizduotas liūtas – jėgos ir apdairaus elgesio simbolis.

Protingumo dorybę vaizduojanti moteris laiko veidrodį – savęs pažinimo simbolį. Dešinėje rankoje – žuvis, siejama su apmąstytu, neskubotu veikimu. Šalia pavaizduotas elnias, vadintas išmintingu gyvūnu, nes greitai bėgdamas neįsipainioja į brūzgynus.

Nuosaikumo dorybę vaizduojanti moteris skiedžia vyną vandeniu. Susivaldymą simbolizuoja ir šalia stovintis dramblys. Tikėta, kad gavęs daugiau nei įprasta pašaro, šis gyvūnas pusę jo atideda rytojui.

Kupolo burėse nutapytos keturios kompozicijos: virš įėjimo – „Skaistybė“ ir „Dorybė“ (aut. Pranciškus Smuglevičius), virš altoriaus – „Šv. Kazimiero giesmė Švč. Mergelei Marijai“ ir „Šv. Kazimieras lydimas į dangų“ (aut. Michelangelo Palloni). Aukščiausiame kupolo taške matomas balandis – Šventosios Dvasios simbolis.

Šv. Kazimiero koplyčia – išskirtinė Vilniaus katedros puošmena ir ypatingas maldingumo centras, iki šiol traukiantis tiek turistus, tiek piligrimus.

Lietuvos didžiojo kunigaikščio Kazimiero (valdė 1440–1492) antrasis sūnus Kazimieras (1458–1484) pagarsėjo sugebėjimu valdyti ir pamaldžiu gyvenimo būdu. Mirė dar visai jaunas, buvo palaidotas Vilniaus katedroje, kur veikiai tikintieji ėmė patirti įvairias malones. Netrukus po mirties buvo pradėtas karalaičio kanonizacijos procesas. XVII a. pradžioje karalaitis oficialiai patvirtintas šventuoju, 1604 m. Vilniuje tai paminėta didelėmis iškilmėmis.

Dabartinė koplyčia statyta 1623–1636 metais valdovų Vazų – šv. Kazimiero brolio anūko Zigmanto ir proanūkio Vladislovo – iniciatyva. Ją projektavo ir statė puikūs italų architektai Matteo Castello ir Costante Tencalla. Tai buvo pirmasis (ir labai retas) pastatas Lietuvos Didžiojoje Kunigaikštystėje, kurio puošyboje vyrauja marmuras. Koplyčios išorė dekoruota mūsų kraštuose taip pat reto smiltainio plokštėmis. 1636 m. į koplyčią iškilmingai buvo perkeltos karalaičio relikvijos. XVII a. pabaigoje koplyčios kupolas ir altorius buvo papuošti itin meistriška stiuko lipdyba.

Albertas Goštautas (1480–1539) – Martyno Goštauto ir Alšėnų kunigaikštytės Onos sūnus, LDK kancleris ir Vilniaus vaivada, dėl savo politinės įtakos XVI a. I p. vadintas „Lietuvos vicekaraliumi“. Jis buvo vienas pirmųjų išsilavinusių Lietuvos didikų, pasižymėjęs įspūdinga fundacine veikla, įamžinusia visos giminės atminimą. Brangų raudono marmuro paminklą po tėvo mirties greičiausiai užsakė sūnus Stanislovas, pirmasis karalienės Barboros Radvilaitės vyras. Jam mirus Goštautų giminė išnyko, tad paminklas nebuvo pabaigtas, išliko tik antkapio plokštė, kurioje didikas vaizduojamas su renesansiniais riterio šarvais, kalaviju ir vėliava.

Plokštė suniokota per XVII a. vid. karus, tačiau joje galima įžvelgti ir individualius vieno garsiausių Lietuvos didikų bruožus, ir Alberto Goštauto herbą, kuriame sukomponuoti tėvo, motinos ir abiejų senelių giminių ženklai. Išlikusi LDK kanclerio, Vilniaus vaivados Alberto Goštauto antkapinio paminklo plokštė su reljefine figūra – seniausias Lietuvos memorialinės skulptūros kūrinys, turintis ir gotikos, ir renesanso dailės bruožų.