Projetada pelo arquiteto Oscar Niemeyer, foi o primeiro monumento a ser criado em Brasília. Sua pedra fundamental foi lançada em 12 de setembro de 1958. Teve sua estrutura pronta em 1960, onde apareciam somente a área circular de setenta metros de diâmetro, da qual se elevam dezesseis colunas de concreto (pilares de secção parabólica) num formato hiperboloide, que pesam noventa toneladas. O engenheiro Joaquim Cardozo foi o responsável pelo cálculo estrutural que permitiu a construção da catedral. Em 31 de maio de 1970, foi inaugurada de fato, já nesta data com os vidros externos transparentes.

Na praça de acesso ao templo, encontram-se quatro esculturas em bronze com 3 metros de altura, representando os evangelistas; as esculturas são de Alfredo Ceschiatti, com a colaboração de Dante Croce. No interior da nave, estão as esculturas de três anjos, suspensos por cabos de aço. As dimensões e peso das esculturas são de 2,22 m de comprimento e 100 kg a menor; 3,40 m de comprimento e 200 kg a média e 4,25 m de comprimento e trezentos kg a maior.

A via sacra é uma obra de Di Cavalcanti. Na entrada da catedral, encontra-se um pilar com passagens da vida de Maria, mãe de Jesus, pintados por Athos Bulcão.

A Catedral Metropolitana de Brasília foi tombada, em 1990, como monumento Histórico e Artístico Nacional. Seu caráter patrimonial se dá por ser