Händelsen inträffade vid 14-tiden mitt under Almedalsveckan. En person har gripits misstänkt för mordförsök.
Kvinnans tillstånd beskrivs som allvarligt. Motivet till dådet är oklart.
– I nuläget kan vi inte se att dådet har någon politisk bäring, säger en presstalesperson från polisen som är på plats.
Marion Wegerstedt blev vittne till händelsen och berättar för DN att hon hörde ett skrik som kom från en kvinna.
– Sen vände jag mig om och såg en man som kom springande, säger hon.
Mannen stoppades av flera privatpersoner och hölls fast tills polisen kom.
– Jag såg inte vad som hände men plötsligt sa flera ”hon är knivhuggen” och sen gjorde folk hjärt- och lungräddning på henne tills ambulansen kom.
Inte långt från platsen skulle Centerpartiets ledare Annie Lööf hålla en pressträff, den har ställts in.
Almedalsveckans verksamhetsledare Mia Stuhre har kommenterat händelsen i ett skriftligt uttalande.
Det här är ytterst allvarligt och fruktansvärt. Region Gotland och Svenska kyrkan välkomnar människor som är oroliga att komma till Visby domkyrka. Där finns samtalsstöd om man vill prata om det som har hänt, säger hon.