Dopo il crollo dell'Impero romano d'Occidente (a.476) si avvertirono in Sicilia i pericoli delle incursioni vandaliche e l'oppressione degli Ostrogoti. Pertanto i Liparèi, ormai cristianizzati, ritennero prudente rinserrarsi nel circuito della Città Alta e di trasferire nel cuore stesso dell'abitato la residenza episcopale.
La nuova Cattedrale - di dimensioni assai ridotte e per nulla paragonabili a quelle della chiesa attuale - si impiantò nel sito stesso in cui, in età classica, credibilmente si ergeva un tempietto pagano. Essa venne distrutta nell'838 allorché le Eolie, insieme con l'intera Sicilia, divennero possesso islamico.
Dopo circa duecentocinquant'anni di vuoto storico, l'abate Ambrogio e i suoi Benedettini, inviati qui dal "liberatore" Ruggero I il Normanno, gettarono le premesse della ricolonizzazione del territorio e della rifondazione della Città di Lipari e, sempre nel sito centrale del Castello edificarono la chiesa abaziale con l'attiguo monastero. La chiesa abaziale, intitolata a S. Bartolomeo, divenne Cattedrale nel 1131 con la promozione a vescovo abate Giovanni di Pèrgana.
Giovanni ingrandì la chiesa (a navata unica) e anche il monastero che si sviluppò attorno al chiostro (il primo chiostro latino-normanno di Sicilia) dei cui quattro originari ambulacri ne sono avanzati tre recentemente riportati alla luce.
Ulteriori ampliamenti la Cattedrale subì tra il 1450 e il 1515: E, completata che fu con un artistico soffitto di legname a capriate, venne incendiata dai Turchi nel 1544.
Ricostruita nella seconda metà del Cinquecento e conclusa con una magnifica volta a botte, risultò alta e oblunga, per cui ai fianchi trovarono sviluppo varie cappelle; per le cappelle del lato destro furono utilizzati e perimetrati con muri taluni spazi d'intercolunnio dell'ambulacro Nord del chiostro.
Per la nostra Cattedrale il secolo XVIII segnò un'epoca di radicali innovazioni e nelle strutture e nelle ornamentazioni: gli affreschi della volta, raffiguranti scene bibliche, rimontano agli anni attorno al 1700; nel 1728 vennero eseguiti la statua d'argento del Protettore e il relativo altare ligneo; fra il 1755 e la fine del secolo venne innalzato il campanile, e nel 1772 la Cattedrale fu ingrandita delle due navatelle laterali, una delle quali (quella di destra) comportò la demolizione di un intero settore del chiostro benedettino.
Anche il prospetto di pietra paglierina vesuviana fu messo in opera intorno al 1772 e venne a dare un nuovo senso di armonica compattezza all'insieme architettonico del Duomo. Nell'ultimo decennio del secolo s'impose prepotentemente, nella Cattedrale, la policromia del marmo, e di marmo furono rivestiti gli altari che vennero altresì sormontati dalle belle tele di Antonio Mercurio.
Nel 1859 un fulmine fece crollare il timpano della facciata e un paio di campate della volta. L'intervento di ripristino fu immediato ed ebbe termine nel 1861. Le pitture scomparse non sono state sino ad oggi reintegrate.
Da sempre la Cattedrale di San Bartolomeo di Lipari assolse il ruolo di chiesa parrocchiale unica con giurisdizione su tutto il comprensorio dell'Arcipelago. Ma mons. Angelo Paino (1909-1921) volle snellire l'azione pastorale delle tante chiese vicarie o sacramentali e, sollecitato il decreto governativo del 28 ottobre del 1910, istituì nella Diocesi le prime sedici parrocchie autonome, compresa quella della stessa Cattedrale.
Pienamente immersa, per lunghi secoli, e svettante nel mezzo del groviglio di case dell'antico tessuto urbano, la Cattedrale fu testimone della vita religiosa e civile della gente isolana. Ed è per tal motivo che i fedeli ordinariamente la chiamano 'a Citàti, perché essa, la Cattedrale, è sintesi altamente rappresentativa di una Città che non è più, e nel contempo rimane centro propulsore di quella straordinaria forza aggregante che lega tutti i figli delle Eolie, i vicini e i lontani.