A Arquidiocese do Rio de Janeiro desejava há séculos uma sede própria para suas celebrações. Esse projeto começou a se tornar realidade em 1964, quando o Estado da Guanabara cedeu o terreno para a construção da catedral.

O projeto rompeu com o estilo das antigas igrejas coloniais e adotou uma arquitetura moderna, assinada por Edgar de Oliveira da Fonseca. Inspirada nas diretrizes do Concílio Vaticano II, a catedral foi concebida para favorecer a participação dos fiéis e acolher melhor o público.

Com formato circular e cônico, a catedral impressiona pelas dimensões: são 75 metros de altura externa e 106 metros de diâmetro. O espaço pode receber cerca de 20 mil pessoas em pé ou aproximadamente cinco mil sentadas.

A porta principal da catedral tem 18 metros de altura e é ornamentada com 48 placas de bronze em baixo-relevo inspiradas na fé cristã. O interior foi projetado pelo padre Paulo Lachenmayer e conta com esculturas do artista Humberto Cozzo.

O interior da catedral é revestido em mármore branco e abriga painéis que representam as Missões. No presbitério estão esculturas de São Sebastião e Sant'Ana, criadas por Humberto Cozzo, além da sacristia e da Capela do Santíssimo Sacramento, com um grande sacrário.

Os quatro grandes vitrais simbolizam características da Igreja Católica. O verde representa a unidade, o vermelho a santidade, o amarelo a universalidade da Igreja e o azul faz referência à tradição apostólica, ligada a São Pedro e seus sucessores.

No subsolo funciona o Museu de Arte Sacra, com um acervo de cerca de cinco mil peças. Entre os destaques estão a pia batismal da Família Real, o trono de Dom Pedro II, uma imagem de Nossa Senhora do Rosário e a Rosa de Ouro concedida à princesa Isabel pelo papa Leão XIII.

A catedral também passou por um processo de modernização. Em 2010, recebeu um sistema de iluminação em LED com 91 refletores, que reduziu o consumo de energia e passou a destacar a fachada, o campanário e a estátua em homenagem ao papa João Paulo II.