Entretanto, a Arquidiocese do Rio de Janeiro sempre quis um espaço próprio e definitivo para ser sua sede e fazer suas celebrações e missas. Esse sonho pôde ser realizado e concretizado em 1964, quando o Estado da Guanabara cedeu o terreno para a construção da catedral.

O projeto da catedral apresentou uma proposta diferente das igrejas coloniais tradicionais e rompia com os modelos antigos ao apresentar um estilo de construção moderno. O arquiteto responsável foi Edgar de Oliveira da Fonseca, e sua proposta seguiu ideias defendidas pelo Concílio Vaticano II, que, entre outras coisas, defendia a simplicidade na liturgia e a participação ativa dos fiéis. Dessa forma, o espaço foi pensado para acolher melhor o público.

O formato do edifício é circular e cônico e impressiona pelas suas dimensões, pois possui 75 metros de altura externa e 64 metros de altura interna. Seu diâmetro externo é de 106 metros, enquanto o interno chega a 96 metros. O espaço pode receber até 20 mil pessoas em pé ou cerca de cinco mil sentadas.

A porta principal da catedral tem 18 metros de altura e é decorada com 48 placas em baixo-relevo em bronze, que apresentam temas ligados à fé cristã. O interior foi planejado pelo padre Paulo Lachenmayer. Além disso, esculturas de Humberto Cozzo enriquecem o ambiente.

O interior da catedral é revestido em mármore branco e conta com painéis que representam as Missões. No presbitério, há esculturas criadas por Humberto Cozzo de São Sebastião e Sant?Ana. A sacristia fica atrás desse espaço e, acima dela, há uma área destinada a coral, orquestra e órgão. Próximo à sacristia está a capela do Santíssimo Sacramento, que abriga um grande sacrário e dois lampadários.

Os quatro grandes vitrais da catedral representam as principais características da Igreja Católica. Cada um possui uma cor e um significado: o verde simboliza a Uni, com a imagem do bom pastor, o vermelho representa a Santidade, com figuras de santos, o amarelo simboliza a Católica, com referência às quatro raças e aos quatro evangelistas, já o azul representa a tradição apostólica, com a figura do primeiro papa, São Pedro, e seus sucessores.

No subsolo, há o Museu de Arte Sacra, que possui um acervo de cerca de cinco mil peças. Entre os itens mais importantes estão a pia batismal usada pela Família Real, a imagem de Nossa Senhora do Rosário, o trono de Dom Pedro II e a Rosa de Ouro concedida à Princesa Isabel pelo Papa Leão XIII após a abolição da escravidão.

Vale destacar também que a catedral passou por um processo de modernização, e um dos principais avanços foi a implantação de um sistema de iluminação em LED, inaugurado em 2010, com o objetivo de reduzir o consumo de energia e valorizar a estrutura do monumento. O projeto utilizou 91 refletores para destacar áreas importantes, como o corpo principal da igreja, o campanário e a estátua em homenagem ao Papa João Paulo II.