W celu sporządzenia planów katedry wysłał on do Rzymu architektów Victora Bourgeau (w 1857) i Josepha Michauda (w 1858); mieli oni na miejscu przestudiować założenia architektoniczne bazyliki św. Piotra.
Kamień węgielny pod budowę katedry położono 28 sierpnia 1870. Z powodu kłopotów finansowych prace budowlane posuwały się wolno, a w 1878 zostały przerwane. Katedra była budowana w czasach, gdy rewolucyjno-liberalne idee zderzyły się z kościelnym konserwatyzmem. Biskup Bourget był zwolennikiem i propagatorem ultramontanizmu. Chciał on, aby projekt świątyni stanowił wyraz dominacji Kościoła nad sferami społecznymi i rządowymi. W 1876 biskup Bourget ustąpił ze stanowiska; zastąpił go biskup Édouard-Charles Fabre. W 1885 wznowiono prace budowlane, które zakończyły się w 1894. 25 marca 1894, w święto Wielkanocy, biskup Fabre dokonał konsekracji katedry. Prace wykończeniowe trwały do roku 1900; zbudowano wówczas baldachim pod kopułą. W 1903 w katedrze zbudowano pomnik-mauzoleum biskupa Bourgeta. 30 kwietnia 1904 biskup Paul Bruchési erygował parafię katedralną, która objęła części parafii Notre-Dame i św. Józefa. W 1919 na prośbę biskupa Paula Bruchési papież Benedykt XV nadal katedrze tytuł bazyliki mniejszej.