Le développement rapide de l'agglomération de Joliette (L'Industrie, à l'époque) oblige la communauté à se doter d'une nouvelle église, la première étant devenue trop exiguë. Ce sont les architectes Perreault et Ménard qui la dessinent et supervisent les travaux qui s'étendent de 1887 à 1889. Cependant, le clocher principal s'enfonce et on doit le renforcer en 1891. L'opération réussit, mais une tornade le fait tomber sur le toit et détruit une partie de la nef. Les travaux durent jusqu'en 1906 avant sa réouverture. Entre temps, le diocèse de Joliette est fondé. Par décret du Vatican, il est séparé du diocèse de Montréal et l'église devient cathédrale.

De style néoromain à l'extérieur mais d'inspiration byzantine à l'intérieur (arcades en plein-cintre, chapiteaux corinthiens et voûte en berceau), la cathédrale renferme des trésors, dont plusieurs tableaux. Les quatorze stations du chemin de croix reviennent au Mascouchois Georges Delfosse alors que les quinze mystères du Rosaire et les huit scènes évangéliques, réalisés en 1893-94, constituent la première commande de tableaux religieux d'Ozias Leduc.

Très académique, Leduc copie les grands maîtres mais réalise également deux oeuvres originales : Jésus calmant la tempête et La pêche miraculeuse. Offert par Marie-Charlotte De Lanaudière à la première église de l'Industrie, le tableau du maître-autel, Saint Charles Borromée distribuant la sainte communion aux pestiférés de Milan, est une copie de Pierre Mignard (1612-1695) par Antoine Plamondon (1804-1895). La couronne du siège, symbole d'allégeance à la Reine, a été remplacée par un Saint-Jean-Baptiste à la demande de Mgr Archambault, premier évêque de Joliette.

En 2001, la cathédrale de Joliette subit à nouveau d'importants travaux de réfection et de restauration.