Liturgisch orientierte man sich in St. St. bis in das 16. Jh. hinein an der säkularen Tradition der Diözese Passau. Davon zeugt eine Abschrift des Passauer Liber ordinarius (A-Wn Cod. 4712, Ende des 14. Jh.s, Ergänzungen aus dem 15. Jh.), der nur marginale Anpassungen an die liturgische Praxis von St. St. erkennen lässt. Im Stiftsbrief von 1365 werden 24 Domherren postuliert, unter ihnen der Kantor (Chorherr), der für den Gottesdienst (drei Messen und das gesamte Offizium), den von ihm bestellten Chorleiter, die Chorsänger und die Schüler (12–24, an Hochämtern mindestens 30) sowie für die Orgel und die Prozessionen verantwortlich war. Am sog. „collegium civium“ (Bürgerschule), einer für den liturgischen Gesang zentralen Institution in Wien – erstmals 1237 bezeugt und 1296 von der Stadt Wien als quadriviale Lateinschule eingerichtet –, wurden Sängerknaben unterrichtet. Nach der Kantorei-Ordnung von 1460 wurden sie auch für den figurierten Gesang herangezogen. Die älteste Schulordnung Wiens von 1446 erwähnt als Personal einen Schulmeister, drei Magistri, Hilfslehrer, einen Kantor und einen Subkantor. Als erster namentlich bekannter Kantor gilt H. Edlerawer. Fragmente eines kurz nach 1400 kopierten Chorbuchs, die sich heute in Nürnberg/D und Melk (Cod. 749) befinden und zeitgenössisches Repertoire (u. a. Johannes Ciconia) enthalten, wurden wahrscheinlich an der Kollegiatsschule verwendet.

Im 16. Jh. sind nahezu alle Kantoren bekannt (u. a. S. de Roy 1572/73). Die Existenz einer Kantorei erwähnt W. Schmeltzl 1547 in seinem Lobspruch der Stadt Wienn. Im 15. und 16. Jh. bestand auch eine „Gottsleichnamsbruderschaft“ (Corporis Christi = Fronleichnam), die Prozessionen abhielt und Passionsspiele (Geistliche Spiele) aufführte. Organist war ab ca. 1505 (oder 1515) W. Grefinger, ein Schüler P. Hofhaimers. Entscheidend für die weitere Geschichte der Dommusik war 1513 die Weihe G. v. Slatkonias zum Bischof von Wien: ab diesem Zeitpunkt standen Dom und Hofmusikkapelle in einem Konkurrenzverhältnis zueinander, das gegenseitigen Austausch beinhaltete.

Vom 15.12.1571 datiert eine, möglicherweise im Zuge der Anstellung von S. de Roy entstandene Kirchenmusikordnung, nach der sich alle musikalischen Kräfte (Subkantor, zwei Präzeptoren, Kapellensänger, Organist, Thurnermeister) dem Kantor unterzuordnen hatten. Dieser war seinerseits dem Wiener Bürgermeister und Rat der Stadt unterstellt. Festgehalten waren weiters Regelungen hinsichtlich Erziehung und Ausbildung der Domsingknaben. Zu dieser Zeit umfasste die Kantorei, der es auch erlaubt war bei Hochzeiten, Banketten u. ä. aufzutreten, neun Sänger (ATB) und 12–13 Sängerknaben (S).

1619 wurde der Titel „Domkapellmeister“ eingeführt; der erste Musiker mit dieser Berufsbezeichnung war Ch. Strauss (1619–31). Ihm folgten Johann Kreutzer (1631/32), J. Winsauer (1632–63), W. Ebner (1663–65, schon 1634–37 Organist), G. Kopp (1665/66), P. A. Kerzinger (1666–78) und Mi. Stadler (1678/79). Unter den Organisten dieser Zeit sind außer Ebner Lucas Mayrginther (ca. 1641–86), J. Pachelbel (1674–77?) und G. Reutter d. Ä. (1686–1715) hervorzuheben; vielleicht war der Hoforganist J. C. Kerll ab 1677 auch hier tätig.

Aus der Amtszeit J. Winsauers stammt eine weitere Kirchenmusikordnung (25.7.1638), in der festgehalten wurde, dass die Kirchenmusiker zwar wie bisher von der Stadt angestellt bzw. bezahlt werden und dem Stadtrat unterstehen, bei ihren gottesdienstlichen Verpflichtungen aber dem Bischof, Kirchenmeister und Cur- und Chormeister untergeordnet sind. Dem Kantor wurden nun umfangreiche Rechte hinsichtlich der Disziplinierung und Bestrafung der Musiker eingeräumt, auch außerhalb des musikalischen Dienstes. Die Aufnahme und Aufgaben des Organisten und der weiteren Musiker waren ebenso geregelt. Für die Ausbildung der Sängerknaben war nun ein Präfekt verantwortlich, der dieselben im Gesang und in der Komposition unterrichten sollte.

Seit 1647 ist durch Rechnungen die Aushilfe der Dommusikkapelle am Kaiserhof nachweisbar, was besonders für das 18. Jh. gilt. Generell dienten Hochämter an St. St. vorwiegend Repräsentationszwecken: der kaiserliche Hof, zahlreiche Bruderschaften, die 1725 gegründete Cäcilien-Congregation, aber auch die Nationen und Fakultäten der Univ. Wien feierten ihre Feste bzw. Schutzpatrone; hinzu kamen Feiern zur Erinnerung an militärische Siege. Von den Passionsspielen ist jenes von ca. 1685 (A-Wn 8227) bekannt.

Im 18. Jh. existierten nebeneinander die Domkapelle („Essentialisten“) und die sog. Gnadenbildkapelle („Choralisten“). Letztere wurde 1697 durch eine Stiftung am Altar Maria Pötsch (Máriapócs/H) eingeführt, nachdem die Ikone mit dem Tränenwunder aus Ungarn nach Wien transportiert worden war (sie war damals noch am Hauptaltar angebracht). Die Musiker hatten täglich ein Amt und eine Lauretanische Litanei zu singen, außerdem wurden Stationsgottesdienste und Prozessionen veranstaltet. Dem Gnadenbild sind 20 geistliche Lieder gewidmet, die Christoph Zeuneggs Erneuert= und vermehrter Gnaden-Brunn in dem wunderthätigen Bild der weinenden Mutter Gottes von Pötsch (Wien 1739) wiedergibt. Die Kapellmeister waren z. T. die (zukünftigen) Domkapellmeister. J. M. Zacher (Zächer) übte dieses Amt 1697–1705 aus, dann wurde ihm J. J. Fux (1705–12) zur Seite gestellt (dessen Missa Lachrymantis Virginis ist wohl in diesem Zusammenhang zu sehen). Es folgten G. Reutter d. Ä. (1712–27/28), J. G. Reinhard (Reichard, 1727/28–1742), Ferd. Schmidt (1743–56), G. Reutter d. J. (1740 provisorisch und 1756–72), sowie als letzter L. Hofmann (1772–83). 1783 wurde diese Kapelle aufgelöst. 1. Domkpm. war 1679–1712 J. M. Zacher, nach dessen Tod war Fux drei Jahre (bis Ende 1714) 1. Domkpm. Auf sein zehnjähriges Wirken an St. St. und den damit zusammenhängenden Unterricht der Singknaben wird die Entstehung des sog. Singfundaments zurückgeführt, das Gesangsübungen auf der Basis der Solmisation enthält. Fux hat auch 1696 hier geheiratet und wurde 1741 in den Katakomben begraben (Grab nicht erhalten). Die Familie Reutter hatte Jahrzehnte lang alle Positionen an St. St. inne, wobei Georg d. J., der zu den beliebtesten Kirchenkomponisten des 18. Jh.s zählte, eher seine Verpflichtungen an der Hofkapelle als am Dom wahrnahm. G. Reutter d. Ä. war neben seiner Kapellmeistertätigkeit für die Gnadenbildkapelle 1686–1715 Domorganist und 1715–38 Domkapellmeister, sein Sohn Georg d. J. folgte ihm als Domkapellmeister nach (bis 1772). Georgs Bruder K. Reutter war 1720/22–36 Domorganist (Vorgänger: G. Muffat [1709], A. F. Römer [1716–22]), Georgs Sohn P. M. Reutter wurde am Kapellhaus ausgebildet, dessen berühmteste Schüler jedoch J. und M. Haydn waren. Zu dieser Zeit war die Kirchenmusik durch Besonderheiten wie Kirchensonaten und Intraden anstelle von Propriumsgesängen, das zeitweilige (1753–67) Verbot von Instrumentalbegleitung und im Josephinismus (1783) die Verschärfung dieses Verbots und in Konsequenz die Einführung des deutschen Gemeindegesangs gekennzeichnet. Das deutsche Kirchenlied war auch in der Metropolitankirche bereits in der 1. Hälfte des 18. Jh.s eingeführt worden, 1774 erschien das Kirchengesangbuch von J. M. Denis. Charles Burneys Bericht von seinem ersten Besuch in St. St. 1773 lobt die Messe, kritisiert aber die verstimmte Orgel. Nachfolger Reutters wurde L. Hofmann, der ab 1772 beide Kapellen leitete. Aufgrund von Hofmanns Krankheit nahm W. A. Mozart 1791 die Akzeptanz auf die Domkpm.-Stelle wahr (leider keine Rechnungen erhalten). Nach Mozarts Tod war J. G. Albrechtsberger Adjunkt und 1793–1809 Domkpm. in Hofmanns Nachfolge. Als Organisten wirkten u. a. Georg Summer (1803–09, 1782–1803 bereits Organisten-Adjunkt), F. Teyber (1809/10, 1803–09 Summers Adjunkt).

Das 19. Jh. ist dank der Auswertung der Rechnungsbücher, Anstellungs- und Bittgesuche sowie Beschwerden gut erforscht. J. Preindl war ab 1795 Kapellmeister-Adjunkt und 1809–23 Nachfolger seines Lehrers Albrechtsberger. Sein sog. Gesangbuch (Melodien von allen deutschen Kirchen-Liedern), das 1825 in dritter, erweiterter Auflage von S. Sechter herausgegeben wurde, gibt einen repräsentativen Querschnitt des Volksgesangs an St. St. Als nächster Domkapellmeister konnte sich nach einer längeren Intrige J. B. Gänsbacher (1824–44) durchsetzen. Er komponierte viel, brachte gute Aufführungen zustande, kümmerte sich um die Sängerknaben und legte ab 1827 einen noch heute erhaltenen Musikalienkatalog an. Nachdem 1844/45 J. Blahak die Musik provisorisch geleitet hatte, folgte J. Drechsler (1845–52), für den eine neue Instruktion vom 19.12.1844 galt, die die musikalischen und organisatorischen Pflichten des Domkapellmeisters regelte. Aufgrund seines Alters und seiner Gebrechlichkeit sank das Niveau der Kapelle unter seiner Leitung. Dies sollte sich mit der Bestellung des angesehenen G. Preyer (1853–1901), der bereits 1844 designiert war, jedoch aus unbekannten Gründen das Amt nicht angetreten hatte, ändern. Er bewarb sich 1852 erneut und dominierte – bis 1876 auch als Vizehofkpm. – die zweite Jh.hälfte.

Nachdem der designierte Nachfolger R. Bibl (sein Vater Andreas war 1818–78 Domorganist gewesen, er dessen Adjunkt 1866–75) 1902 gestorben war, folgten auf die Ära Preyer im 20. Jh. mit A. Weirich, F. Habel (1874–1953), A. Wesely, P. Planyavsky und J. Ebenbauer fünf unterschiedliche Persönlichkeiten. Weirichs Tätigkeit (1903–21), deren Beginn mit dem (in Wien anfangs ignorierten) Motu proprio Pius’ X. über den Choralgesang zusammenfiel, war von einem gemäßigten Cäcilianismus geprägt. Neben Palestrina bis J. J. Fux einerseits und I. Mitterer bis F. X. Witt und V. Goller andererseits führte er auch die Wiener Klassiker und J. Eybler, J. v. Herbeck, F. Krenn sowie seine Vorgänger Gänsbacher und Preyer auf. Er reorganisierte den Domchor und ergänzte die Knabenstimmen notgedrungen durch Frauenstimmen. Im und nach dem Ersten Weltkrieg musste der Volksgesang (Personal- und Geldmangel) den professionellen ersetzen. Als Organist stand ihm in der Nachfolge von Carl Schüller (1875–98) 1898–1921 V. Boschetti (1896–98 bereits Adjunkt) zur Seite. Noch stärker für die Pflege und Ausführung des Chorals setzte sich Weirichs Schüler und Mitarbeiter F. Habel, der auch Prof. an der MAkad. war, ein (1921–46). Er gründete am 22.6.1921 den Dommusikverein, verstärkte den Chor auf 50–60 Sänger und versuchte mehrmals erfolglos, das 1917 aufgelöste Sängerknabenkonvikt wieder einzuführen. Unter Habel setzte sich die Tendenz, ein möglichst vielfältiges liturgisches Programm zu bieten, fort (neben den Cäcilianern auch EA von L. v. Beethovens Missa solemnis 927, Haydn-Zyklus 1932 und Mozart-Messen). Auch während des Nationalsozialismus und des Zweiten Weltkrieges gelang es ihm, große Aufführungen im Dom, die z. T. auch im Radio übertragen wurden, zu realisieren. Beim Brand am 11./12.4.1945 ging auch das wertvolle Archivmaterial der Dommusik, darunter der Nachlass Weirichs und Habels Kompositionen, zum Großteil verloren. In den ersten Jahren des Wiederaufbaus fanden die Aufführungen in der Kirche Am Hof (Wien I) statt. Organisten waren Karl Walter (1921–46) und W. Mück (1946–69, ab 1919 bereits 2. Organist). Der Priester A. Wesely (1946–83) konzentrierte sich auf die reine Kirchenmusik (ohne Konzerte) und konnte den Dommusikverein nicht am Leben erhalten. Neue Impulse setzte P. Planyavsky (1969–2005 Domorganist und 1983–90 auch Dommusikdirektor), indem er die liturgischen Vorgaben des 2. Vatikanischen Konzils mit einer Bereicherung des Repertoires (evangelische Kirchenmusik, neuere Komponisten wie A. Heiller) zu verbinden suchte. Die Aufführungen wurden ins südöstliche Friedrichsschiff verlegt. Mit Planyavsky arbeitete neben H. Gasser (1987–89 Assistent) J. Ebenbauer ab 1985 als Assistent (Vorgänger A. Mülleder) und 1991–2005 als Domkapellmeister zusammen. Der Dommusikverein (Domchor bestehend aus Kantorei und Vocalensemble sowie Domorchester) wurde wieder etabliert (Konzertreihe Vox cathedralis), dessen Präsident ab 1996 bis zur Auflösung 2005 H. Gattermeyer war. Auf Ebenbauer folgte G. Knotzinger 2005/06 als provisorischer Domchorleiter, seit 2007 ist Markus Landerer (* 1976) als Domkapellmeister tätig. Thomas Dolezal (* 1965 Wien) war 1989–2005 Assistent der Dommusik, 2005–10 „Dommusikus“ und ist seit 2010 Organist. Die Stelle des Domorganisten war 2005–15 unbesetzt, den Orgeldienst teilten sich Dolezal und Ernst Wally (* 1976 Wien, 2007–10 Assistent der Dommusik, 2010–15 Organist). Seit 2016 fungieren Wally und Konstantin Reymaier (* 1967 Wagna/St) als Domorganisten, Dolezal als Organist. Bernhard Jaretz (* 1991 Wien) leitet seit 2021 die neu gegründete Domsingschule. Die Dommusik setzt sich derzeit (2022) aus dem Domchor, dem Vokalensemble (Kammerchor), der Capella (Frauenchor), einer Choralschola und dem Domorchester zusammen.

Die erste Erwähnung einer Orgel (1334) lässt auf ein vorhandenes Regal schließen. Um 1370 scheint in einer Urkunde ein Magister Peter auf, der Organist und wohl auch Orgelbauer war. Zwischen 1391/1404 baute J. Behaim, der auch 1416–26? als Organist angestellt war, eine „gross orgell“ (so bezeichnet zur Unterscheidung zur bereits vorhandenen, siehe unten); seither befanden sich stets (zumindest) zwei Orgeln im Dom. Diese dürfte sich zunächst auf dem Lettner befunden haben, nach Abtragung desselben (ca. 1480) über dem sog. Füchsel-Baldachin im südlichen Seitenschiff. 1507 baute Burchhard Tischlinger (Dinstlinger) eine neue Orgel (I/16) in das Gehäuse, die 1544/45 durch ein Rückpositiv (8 Register) von Fr. Jacob Königschwerdt OCist. erweitert wurde, der auch 1550 an ihr arbeitete und ein Regal für den Dom baute. In den folgenden Jahren arbeiteten Peter Seiwitz (1564), Isaak Kaltenprunner (1572) und die Brüder Römer (1681 und danach) an dem Instrument. Das Rückpositiv wurde 1730–32 im Zuge eines Umbaus der Orgel durch G. Sonnholz abgetragen bzw. ins Hauptwerk versetzt, die ganze Orgel (zuletzt vermutlich II/24) 1789, nach einer Reparatur durch F. X. Christoph 1784/85, von J. Výmola auf die Westempore transferiert (Gehäuseabtragung 1797), der dort 1789–92 eine neue Orgel errichtete (II/36). Seit 1720 war dort eine Orgel (II/32) von F. J. Römer gestanden, die bereits ab ca. 1730 als unspielbar galt; das prächtige Gehäuse der Römer-Orgel verbrannte erst 1945. 1811/12 erweiterte I. Kober diese Orgel (II/41), die bald danach kaum mehr gespielt wurde und sich in schlechtem Zustand befand; 1858 arbeitete C. F. F. Buckow an ihr. 1886 errichtete die Firma Walcker ein neues Werk (III/90), bei dessen öffentlichen Präsentation auch A. Bruckner improvisierte; 1945 verbrannte die Orgel.

Auf dem Pilgram-Orgelfuß befand sich 1513–1797 eine aus dem Jahr 1336 stammende Orgel, die zuvor wohl im Langhaus gestanden sein dürfte (die Forschung ist sich uneins darüber, ob sie mit der 1334 genannten tragbaren identisch war). Arbeiten an dieser Orgel sind durch Friedrich Pfannmüller (1561) und J. Scherer (1562) belegt, 1566/67 erfolgte ein Neubau durch Hermann Raphael Rottenstain (Rodensteen), 1675 angeblich eine Reparatur durch Christoph Vogel. Die Orgel dürfte bald danach (spätestens 1681) nicht mehr gespielt worden sein, seit 1647 stand stattdessen eine, vielleicht von J. Freund errichtete Chororgel (I/7) im Apostelschiff zur Verfügung, wo sich seit 1647 der Standort der Dommusik befand (zuvor seit 1479 am Füchsel-Baldachin). Als 1702 die Kirchenmusik auf die neue Musikempore im Mittelschiff übersiedelte, wurde dort eine neue Chororgel (I/10, Gehäuse von Franz Lothar Walter) von F. J. Römer errichtet, die Freund-Orgel von 1647 (1681 arbeitete J. U. Römer an ihr) erwarb der Abt von Heiligenkreuz für die Pfarrkirche von Alland/NÖ (dort 1840 abgetragen). An der Chororgel arbeiteten in der Folge G. Sonnholz, F. X. Christoph, J. Výmola, J. J. Wiest, I. Kober, F. Deutschmann (1811), J. Deutschmann, J. Loyp (1841) und Franz Ullmann. 1886 baute die Firma Rieger eine neue Chororgel (II/16) in das historische Gehäuse, die 1945 verbrannte.

Nachdem der Dom 1945 beide Orgeln verloren hatte, errichtete die Firma Kauffmann, die seit 1906 mit der Pflege der Domorgeln betraut gewesen war und 1939 auch mit einer Erweiterung der großen Orgel (geplant IV/110) beauftragt worden war, zunächst 1948 ein kleine Behelfsorgel (I/5 mit Pedal) auf der Westempore, die nun Zentrum der Dommusik wurde. 1949 erfolgte eine Erweiterung dieser Orgel (II/21), wobei das bereits fertiggestellte Pfeifenmaterial des ab 1939 geplanten Ausbaus der Walcker-Orgel Verwendung fand. Nach dem Bau einer neuen Chororgel (1952, II/18, zwei Spieltische) erhielt Kauffmann auch den Auftrag zur Errichtung einer neuen Domorgel auf der Westempore (1960 fertig gestellt, IV/125; gen. Riesenorgel nach dem darunterliegenden Riesentor); beide Orgeln waren mit elektropneumatischem Traktursystem ausgestattet. Aufgrund der unbefriedigenden Akustik wurde nach langen Planungen 1991 eine neue Rieger-Orgel (IV/55) im Apostelschiff aufgestellt, die als Hauptorgel konzipiert war und durch die ein neues Zentrum für die Kirchenmusik im Dom entstanden ist; gleichzeitig wurde die Kaufmann-Chororgel abgetragen. Nachdem die Dommusik bereits 1985 von der Westempore ins Apostelschiff übersiedelt war, stand dort zunächst nur ein aus dem Erzbischöflichen Palais stammendes Positiv (I/3) von Johann Franz Frey aus dem frühen 18. Jahrhundert zur Verfügung. Die Orgel auf der Westempore, bis 1994 noch öfters und 1997 das letzte Mal gespielt, wurde in den Jahren 2017–20 von der Firma Rieger instandgesetzt, grundlegend umgebaut und erweitert (Weihe am 4.10.2020). Sie umfasst nun sieben Manual- und zwei Pedalwerke, verteilt auf fünf Manuale und Pedal, sowie 130 Register (u. a. ein 64‘-Register und fünf 32‘-Register) bei 134 Registerzügen. Von den beiden identischen, mobilen Spieltischen können nun die Riesenorgel und die Chororgel von 1991 im Apostelschiff gemeinsam gespielt werden (die Rieger-Orgel im Apostelschiff kann aber unabhängig davon auch weiterhin unverändert allein vom mechanischen Spieltisch am Instrument gespielt werden.

2009 baute die Firma Rieger eine fahrbare Kleinorgel (II/13, „Haydn-Orgel“) für den Dom. Zwei alte Positive wurden bereits 1567 von J. R. Rottenstain repariert und mehr als hundert Jahre später, 1673, reparierte auch L. Freund zwei Positive. 1746 baute J. Hencke ein Positiv für eine Kapelle, das vermutlich 1795 an J. Výmola verkauft wurde. Eine Truhenorgel (I/5) von Jens Steinhoff aus 2005 steht in der Prinz Eugen- bzw. Kreuzkapelle zur Verfügung. Ein Hornwerk ist 1458 verbrannt.

Von den insgesamt 22 Glocken stehen 20 in Verwendung, davon zwei nur als Schlagglocken des Uhrwerks. Je eine Glocke stammt aus dem 13. und 15. Jh. Im Südturm befindet sich das elfstimmige Festgeläute (darunter der „Stephanus“ mit 5.220 kg, Schlagton g), gegossen von J. Pfundner 1960. Die berühmteste Glocke ist die wegen ihres tiefen Klangs so genannte Pummerin (1945 zerstört, die neue, 1952 geweihte Glocke hängt im Nordturm [die alte hing im Südturm], Schlagton c).

Mit allen Klischees wird der „alte Steffel“ in Wienerliedern (u. a. von F. P. Fiebrich, H. Hauptmann, Hans Lang/E. Meder und C. Lorens) besungen. 1998 etablierte sich Radio Stephansdom (seit 1.6.2015: radio klassik Stephansdom) als Sender für klassische Musik und Informationssendungen aus dem kirchlichen Bereich.