S:t Olai kyrka invigdes den 20 december 1767 av dåvarande biskopen Petrus Filenius. Kyrkan hade byggts upp på rekordtid. På bara ett och ett halvt år byggdes kyrkan upp efter att den gamla revs i april 1766. Den gamla kyrkan hade varit i dåligt skick och nu var det angeläget att få upp en stabil och väl fungerande stadskyrka.
Arkitekt var Carl Johan Cronstedt. Eftersom den nya kyrkan skulle byggas upp på den gamla kyrkans grund hade arkitekten svårt att helt följa sina och tidens stilideal.
Den först anlitade murmästaren fick man besvär med. Arkitekt Cronstedt anlitade då istället murmästaren Elias Kessler från Stockholm, som var en bekantskap till arkitekten sedan tidigare. Efter denna nyrekrytering gick bygget framåt. Dock försökte byggnadskommittén föreslå en rad förenklingar som skulle både påskynda bygget och göra det billigare. Murmästare Kessler var dock lojal mot arkitekt Cronstedts originalritningar och vägrade gå med på några som helst förenklingar utan arkitektens medgivande.
Kyrkans frontfasad är i väst och blev också föreslagen att få förenklingar. Men där gjordes inga som helst medgivanden av arkitekten. Där finns bland annat en tavla med stadens vapen ingjuten, som är från den tidigare kyrkan.
När kyrkan så till slut invigdes av dåvarande biskopen var kyrkan långt ifrån färdig invändigt. Man hade stora planer på kyrkans inredning, men beslutade att inviga och inreda kyrkan med i närmaste ett provisorium till predikstol och altartavla. Dessa var ritade av Erik Palmstedt. De fick ändå finnas kvar i över 30 år innan altartavlan, beställd av en av landets främste konstnärer, Pehr Hörberg, kom till i kyrkan 1797. Även predikstolen är beställd av en av landets främste, Norrköpingsbildhuggaren Carl Fredrik Beurling år 1798.
Den tidigare kyrkan 1614 - 1766
Innan nuvarande S:t Olai kyrka fanns en kyrka byggd 1614 på samma plats. Den revs år 1766 på grund av att den då var i väldigt dåligt skick. Den nuvarande S:t Olai kyrka började byggas redan året därefter på samma grund som den tidigare kyrkan. Nuvarande S:t Olai kyrka har alltså samma dimensioner som den kyrka som fanns tidigare.
Det finns en utförlig ritning på den tidigare kyrkan, då man dokumenterade den grundligt år 1761 inför rivningen. Den gamla kyrkan var av gotisk typ med spetsbågiga fönster och trappstegsgavlar i tvärskeppen. Innertaket var av trä med tvärgående bågar. Troligtvis har man haft för avsikt att välva kyrkan med tegelvalv, något som aldrig kom att ske. Från år 1751 finns ett annat dokument om den tidigare S:t Olai kyrka. Där finns beskrivet: ”Stadsens stora kyrka är låg, trävälvder och ganska mörk. Kyrkan står på en lös och osäker grund, så att de yttre stödpelarna hade så förskjutit sig att den ena skevar hit, den andra dit, eller man har i forna grundläggningen ej lagt grundvalen djupt nog.”
Under en tidsperiod kallades denna kyrka för Helgeandskyrkan. Betydande bidrag till bygget lämnades av Gustav II Adolf och hans mor, änkedrottningen Kristina. Brist på pengar framtvingade dock förenklingar i kyrkobygget och peståret 1623 fördröjde slutförandet av kyrkan ytterligare. Först 1626 kunde kyrkan invigas.
Knappt 30 år efter invigningen skadades kyrkan vid en förödande stadsbrand i Norrköping år 1655. Man fick använda en provisorisk gudstjänstlokal under reparationerna. Kyrkan var så pass skadad att förslag framkom om ett helt nytt kyrkobygge, men man beslutade att reparera istället efter åtskilliga diskussioner. År 1660 hade man tillräckligt med pengar för att påbörja reparationsarbetet. En minnestavla från detta år, prydd med bland annat stadens vapen, murades in i kyrkans frontgavel. Denna är bevarad än idag i den nuvarande kyrkans frontfasad.
Kyrkan hade ursprungligen ett kyrktorn framför kyrkan, men detta revs i samband med reparationsarbetet. Istället uppfördes ett helt nytt klocktorn vid denna tidpunkt.
Kyrkan fick en sakristia år 1680. Den ligger på samma plats som dagens sakristia i nuvarande kyrkan. Innan denna sakristia saknade kyrkan en sådan av allt att döma.
Så härjades kyrkan ytterligare en gång av eld i det ryska anfallet år 1719. All inredning förstördes och kyrkans murar skadades svårt. Dock ingrep borgmästaränkan Christina Spalding mycket rådigt och gömde kyrksilver och textilier i samband med branden. Det är tack vare henne som dagens S:t Olai kyrka fortfarande har kvar sina kulturskatter, den allra mest värdefulla en broderad korkåpa från 1500-talet.
Reparationsarbetet dröjde även denna gång. Staden Norrköping satsade på att reparera S:t Johannes kyrka först då denna var minst skadad. S:t Johannes kyrkan var då den nuvarande Hörsalen. År 1721 hade man slutligen reparerat den gamla S:t Olai kyrka igen.
År 1732 skänktes en ny altartavla till kyrkan, en predikstol år 1740. Båda var av sådan betydande storlek att man delvis måste bygga om kyrkan för att de skulle få plats.
I början på 1760-talet var kyrkan återigen förfallen och behövde omfattade renovering. Man enades då om att det skulle vara mer fördelaktigt att bygga en helt ny kyrka. Den gamla kyrkan dokumenterades år 1761 och man påbörjade rivningen 1766 i april månad. Redan år 1767 byggde man sedan den nuvarande kyrkan.
Tidigare kyrkor under medeltiden
Vi vet ytterst lite om den tidigare kyrka som funnits under medeltiden. Utgrävningar pekar på att det möjligtvis kan ha funnits två tidigare kyrkor på platsen.
Det finns en notis från 1600-talet som gör gällande att medeltidskyrkan varit av trä och legat söder om den nuvarande kyrkan. Det förefaller dock inte troligt att Norrköping skulle ha haft en stadskyrka av trä under den här tidsperioden. Om en träkyrka varit 1600-talskyrkans närmaste föregångare skulle en förklaring kunna vara att den medeltida kyrkan lagts i ruiner i samband med de dansk-svenska striderna år 1567.
År 1998 frilade man några valvribbtegel av utpräglad 1400-talstyp. Det tyder på att en medeltida stenkyrka funnits. Det finns också ett antal dokument som styrker kyrkans historia tillbaka till 1100-talet. Dessa dokument handlar om kyrkans rättigheter till fiske och kvarnar i Norrköping. En teori är att kung Karl Sverkersson, som regerade 1160-1167 är donatorn till kyrkobygget. S:t Olofs kyrka skulle i så fall ha varit en kungsgårdskyrka.