Liecības par Cēsu Svētā Jāņa baznīcas celtniecības sākumu atrodamas Vartberges Hermaņa Livonijas hronikā (Chronicon Lyvoniae Hermanni de Wartberge, sarakstīta Livonijā ap 1378. gadu). Lai arī hronists nemin konkrētu gadskaitli, lielākā daļa vēsturnieku Cēsu baznīcas pamatakmens likšanu saista ar 1284. gadu. Baznīcas garenass orientācija ziemeļaustrumu–dienvidrietumu virzienā norāda, ka tās kontūras nospraustas ap vasaras saulgriežu laiku, kad saullēkts vērojams vistālāk uz ziemeļaustrumiem. Iespējams, šis apstāklis arī noteicis baznīcas svētā patrona izvēli, jo 24. jūnijs liturģiskajā kalendārā ir Svētā Jāņa Kristītāja piemiņas diena.
Vairākkārtīgi pārbūvētā baznīca mūsdienās vairs nelīdzinās tai, kāda tā bijusi pirmsākumos. Baznīcas būvizpētes laikā pētnieki ir noskaidrojuši, ka tā sākotnēji celta kā halles jeb zāles tipa būve. Paaugstinātu vidusjomu un zvanu torni dievnams ieguvis vēlāko pārbūvju laikā.
Reformācijas nestās pārmaiņas Cēsu Svētā Jāņa baznīcu neskāra tik strauji, kā dažkārt lasāms baznīcas vēstures aprakstos. 16. gs. pirmās puses dokumentos nav atrodamas nekādas ziņas, ka baznīcā dievkalpojumus būtu noturējuši reformācijas ideju popularizētāji. 16. gs. otrajā ceturksnī sastādītos dokumentos kā draudzes mācītāji minēti katoliskie priesteri (Priester) un baznīckungi (Kerckherrn), nevis protestantiskie sprediķotāji (Prediger). Dievnamā vēl 1546. gadā atradusies Svētā Nikolaja vikārija (vieta aizlūgumiem par mirušo dvēseles pestīšanu no šķīstītavas), kas teoloģisku apsvērumu dēļ nebūtu iespējama protestantu baznīcā. Turklāt šajā laikā Svētā Jāņa baznīcā turpināja apglabāt ietekmīgākos Livonijas zemes kungus – katoļticībai uzticīgos ordeņmestrus. Protestantu draudze Cēsu Svētā Jāņa baznīcā, visticamāk, sāka darboties ap 1550. gadu, kad luterisms bija kļuvis par Livonijas valdošo kārtu galveno konfesiju.
Lielus zaudējumus Cēsu pilsētai, tās iedzīvotājiem un galvenajam dievnamam nesa Krievijas cara Ivana IV (arī Ivans Bargais; Иван IV Васильевич, Иван Грозный) vadītā karaspēka iebrukums Vidzemē 1577. gadā. Īpaši dramatisks togad izvērtās 6. septembris, kad aplenktajā Cēsu pilī, nezinādami cita glābiņa, uzspridzinājās vairāki simti livoniešu. Kara laikā ievērojami cieta arī baznīca, īpaši tās jumts, tornis un velves, savukārt kādā 1582. gadā sastādītā ziņojumā norādīts, ka Cēsīs iebrukušie maskavieši sabojājuši ērģeles un baznīcā turējuši zirgus.
Pēc Livonijas kara Cēsis kļuva par Vidzemes rekatolizācijas un jaunizveidotās Livonijas bīskapijas centru. Cēsu Svētā Jāņa baznīca tika paaugstināta par Livonijas bīskapu katedrāli. 1587. gadā dievnamā no smilšakmens prasmīgi darinātā sienas kapenē apglabāts Livonijas bīskaps Andžejs Patrīcijs Nideckis (poļu Andrzej Patrycy Nidecki, latīņu Andreas Patricius Nidecius). Mūsdienās kapene tiek vērtēta kā Latvijā unikāls rekatolizācijas laika mākslas piemineklis.
Livonijas bīskapijas pastāvēšanu pārtrauca Zviedrijas karaļa Gustava II Ādolfa (Gustav II Adolf) vadītā karaspēka iebrukums Vidzemē 1621. gada vasarā. Pēc Vidzemes pakļaušanas Cēsu Svētā Jāņa baznīca atkal kļuva luteriska.
17. gs. otrajā pusē Cēsis un tās galveno dievnamu postījuši vismaz seši ugunsgrēki – 1663., 1667., 1671., 1676., 1677. un 1686. gadā. 1688. gadā rakstītā ziņojumā norādīts, ka Cēsis vairs nemaz neizskatoties pēc pilsētas, bet gan atgādinot drupu kaudzi. Trīs gadus vēlāk Cēsu birģermeistars rakstīja, ka baznīca ir nonākusi katastrofālā stāvoklī. No pilnīga sabrukuma Cēsu Svētā Jāņa baznīcu lielā mērā paglāba būvuzņēmējs Joahims Dēnike (Joachim Dönnicke, arī Dönick), kurš desmit gadu garumā vadīja dievnama atjaunošanas darbus, ilgu laiku strādādams, nesaņemot atlīdzību. Naudas, materiālu un darbaroku trūkuma dēļ remontdarbi uz priekšu ritēja gausi, līdz 1703. gadā, Lielā Ziemeļu kara laikā, tie tika pilnībā pārtraukti. Plašāki dievnama remontdarbi tika atsākti tikai 1725. gadā, kad Cēsu rātskungi bija spiesti atzīt, ka baznīca atrodas tik sliktā stāvoklī, ka jābaidās no tās pilnīgas bojāejas. Spītējot pastāvīgam līdzekļu trūkumam un darbu laikā atklātiem arvien jauniem baznīcas ēkas bojājumiem, nolīgtie mūrnieki un namdari kopā ar Cēsu draudzei piederīgajiem zemniekiem tomēr saveda dievnamu lietošanas kārtībā. Taču jau 1748. gada 3. augustā Cēsīs izcēlās plašs ugunsgrēks, kas pāris stundu laikā pelnos pārvērta pilsētas lielāko daļu un atņēma dzīvību vairākiem desmitiem pilsētnieku. Kādā pilsētas namā neilgi pēc ugunsgrēka noturētā viessprediķī mācītājs Kristians Lencs (Christian Lenz) ar nožēlu atzīmējis, ka liesmas ir izpostījušas izskatīgo baznīcu un padarījušas to nelietojamu.
Ugunsgrēka izpostītā dievnama atjaunošanai prāvu naudas ziedojumu veica Rīgas ģenerālgubernators Pēters Lasī (īru Peadar de Lása, vācu Peter Graf von Lacy, krievu Пётр Петрович Ласси), bet kolekte remontdarbu veikšanai esot vākta visā zemē un baznīcās. Atjaunotās baznīcas veidols ar lēzenu četrslīpju jumtu dokumentēts Johana Kristofa Broces (Johann Christoph Brotze) 1793. un 1797. gada zīmējumos.
Vērienīgu torņa pārbūves risinājumu 1850. gadā izstrādāja Svētā Jāņa baznīcas mācītāja dēls arhitekts Teodors Alvils Punšels (Theodor Allwill Punschel). Torņa pārbūvi 1853. gada pavasarī uzticēja ievērojamajam latviešu būvuzņēmējam Mārcim Sārumam, kurš kopā ar savu prasmīgo amatnieku vienību darbus pabeidza pusgada laikā. Jauno neogotisko torni M. Sāruma laikabiedri vērtēja ļoti pretrunīgi. Vieni to slavēja kā slaidu, skaistu un stilam atbilstošu un baznīcai pilnīgi pieskaņotu, turpretim citu skatījumā tornis bija kļūmīgā veidā nobeigts un augstākā mērā bezgaumīgs. Mūsdienās būvmeistara veikums tiek vērtēts kā veiksmīgs un savam laikam progresīvs sena dievnama rekonstrukcijas piemērs.
20. gs. 70. gados cēsnieki Haralds Sīmanis, Valdis Atāls un Arvīds Ulme veica baznīcas torņa jumta seguma nomaiņu. Ar Eiropas Savienības finansiālu atbalstu 2020. gadā veikta baznīcas fasāžu atjaunošana, jumta seguma nomaiņa un vēsturisko logu restaurācija.
