En 1553, por iniciativa de Fray Juan de los Barrios se tomó la decisión de construir un templo en paredes de tapia y ladrillo en el mismo lugar actual de la Catedral, de acuerdo a la disposición del Cabildo, para lo cual se convocó a una licitación pública que le asignó las obras a Baltasar Díaz y a Pedro Vásquez, asociados al albañil Juan Rey, con un presupuesto de 1.000 pesos. En 1560, después de gastar más de 6.000 pesos y a la víspera de su inauguración se derrumbó el techo de la construcción. A pesar de ello, el 11 de septiembre de 1562 el papa Pío VI le otorgó el título de Catedral.

Doce años después, Fray Juan de los Barrios, primer Arzobispo de la ciudad, trajo sobre sus hombros la primera piedra para una nueva Catedral, dando así ejemplo a todos sus compañeros y fieles, quienes siguiéndolo lograron almacenar una cantidad considerable de piedras para su construcción. La obra se inició el 12 de marzo de 1572, en el mismo lugar, con las mismas condiciones que la anterior, es decir con tres naves, pero con un detalle adicional en el que se le añadieron cuatro capillas formando una cruz.

La obra culminó en 1590, con la capilla mayor cubierta así como los arcos, pero quedando pendientes en su construcción, las cuatro capillaslaterales y las tres naves, para 1678 se concluyó la torre. Esta nueva Iglesia, tercera construcción de la Catedral fue notable por la riqueza de su culto y por su capilla musical. El 12 de julio de 1785 se produce un fuerte terremoto en la ciudad que afecta gravemente la construcción, por lo cual se toma la decisión de derribarla parcialmente en 1805. 

Algunos años después de la expulsión de los jesuítas de Colombia se opta por poner en servicio como Vicecatedral a la iglesia de San Ignacio, la cual fue denominada "Vicecatedral de San Carlos" (en honor al rey Carlos III) y se encuentra a tan solo media cuadra de distancia de la Plaza.

Al iniciar el siglo XIX por nombramiento efectuado por el canónigo Francisco Caycedo, arzobispo de Colombia, se designó como arquitecto para la reconstrucción de la Catedral al fraile capuchino Fray Domingo de Petrés, el cual estaba ampliamente influenciado por las tendencia neoclásica reinante en esa época de la historia y que determinó el estilo de la reconstrucción de la Iglesia, Fray Domingo, de origen español, hijo de un albañil, quien llegó a Santafé de Bogotá en 1792 para ejercer su oficio de arquitecto, comenzando la obra de la nueva catedral el 11 de febrero de 1807. Se le ha considerado como uno de los arquitectos más representativos del nuevo reino de Granada, entre otras obras se destaca el Observatorio Astronómico de Bogotá, la Basílica de Nuestra Señora del Rosario de Chiquinquirá, la Catedral de Santa Fe de Antioquia y la Iglesia de San Miguel, en Guaduas.

Cuando muere Fray Domingo en 1811, continua las obras Nicolás León quien las logra concluir. Posteriormente, en el año 1943 el arquitecto español Alfredo Rodríguez Orgaz dirigió la reforma a la fachada de acuerdo a los planos originales de Domingo de Petrés. Las mayores reformas se realizaron con motivo del Congreso Eucarístico Internacional de 1968 y la visita del papa Pablo VI cuando el presbiterio se amplió hasta el crucero y el altar se ubicó bajo la cúpula.