Die ehemalige Stiftskirche auf dem Burgberg nimmt bis heute eine das Stadtbild prägende Rolle ein. Von der Stadt aus erkennt man zuerst den wuchtigen schmucklosen Saalbau, der typisch ist für eine protestantische Kirche. Geradezu lieblich muten dagegen die Jugendstilfreitreppen an. Beim Blick von der Bleichwiese dominiert der spätgotische Chor das Bild, während man bei genauer Betrachtung sogar romanische Fenster zu erkennen vermag.
Tatsächlich gehen die ältesten Partien des Baus auf eine romanische Kirche zurück, die im 12. Jahrhundert als Zentrum des Augustiner-Chorherrenstifts errichtet wurde. Das Aussehen dieser romanischen Kirche kann in groben Zügen rekonstruiert werden: Es handelte sich um eine dreischiffige Basilika ohne Querschiff. Die Decken waren vermutlich flach gedeckt. An das Mittelschiff schloss sich ein Chor an. Die Seitenschiffe endeten in kleinen Kapellen, über denen sich die beiden Türme erhoben. Die Kapellen besaßen kleine Apsiden, die äußerlich nicht in Erscheinung traten. Unsicher ist der Abschluss des Hauptchors. Es kann eine große Apsis vermutet werden. Unter dem Hauptchor befand sich eine Krypta, die stark überarbeitet noch vorhanden ist. Auch die beiden Türme sind erhalten und zeigen oben noch die markanten Rundbogenarkaden auf.
Zu Beginn des 16. Jahrhunderts wurde die Apsis abgetragen und der große spätgotische Chor mit seinem weit gespannten Sternnetzgewölbe errichtet, der in seiner Dimension der Länge des Hauptschiffs entsprach. Dazu wurde das Fußbodenniveau des Chors tiefer gelegt und deshalb die Krypta aufgegeben. Nördlich des Chors entstand ein zweigeschossiger Anbau für Sakristei und Bibliothek. Zwischen den beiden Türmen wurde ein Lettner mit Empore eingezogen, um den Laienbereich deutlicher abzugrenzen. Außerdem bekam die Stiftskirche eine erste Orgel. Spätestens ab 1537 wurde die Kirche (mit Unterbrechungen 1548 bis 1552 und 1635 bis 1648) für evangelische Gottesdienste genutzt. Nach der Reformation wurden innen Emporen eingezogen und 1577 die beiden Türme durch einen Fachwerkaufbau mit Dachreiter miteinander verbunden. Beim Stadtbrand 1693 brannte die Kirche komplett aus. Von der alten gotischen Ausstattung blieben nur zwei Schränke erhalten. Provisorisch wurde der Chor, dessen Gewölbe stehen geblieben waren, als Notkirche genutzt. Bereits 1694 errichtete man dann über dem Chor wieder einen Dachstuhl. Das dreischiffige Langhaus war durch den Band derart in Mitleidenschaft gezogen worden, dass man es komplett abtragen musste und durch einen stützenfreien Saalbau ersetzte, was auch dem evangelischen Gottesdienst mehr entsprach. Zur Unterbringung der Gottesdienstbesucher wurden Emporen eingezogen, der Lettner wurde entfernt und die Orgel 1702 auf die Empore im Chor verlegt. 1895 wurde die Kirche durch Heinrich Dolmetsch restauriert und neogotisch umgestaltet. Dabei wurde im Chor eine neue Orgel des Ludwigsburger Orgelbauer Eberhard Friedrich Walcker eingebaut. Äußerlich erfolgte 1913/14 eine Neugestaltung des Schiffs durch Theodor Dolmetsch und Felix Schuster in Jugendstilformen.
1929 erfolgte eine Veränderung des Inneren durch die Architekten Werner Klatte und Richard Weigle. Hier wurde die Krypta ausgegraben, tiefer gelegt und in neuen Formen rekonstruiert. Darin sind seitdem sind die Überreste der verschiedenen Mitglieder der badischen Markgrafenfamilie untergebracht. 1973 wurde der Außenbau erneuert. Die letzte Generalsanierung der Stiftskirche fand zwischen 2015 und 2021 statt. Seitdem erstrahlt die Stiftskirche innen und außen in einem völlig neuen Licht.
