Projeto do arquiteto Oscar Niemeyer, sua planta é circular sem a fachada principal. O acesso ao seu interior é feito por uma passagem subterrânea, o que, segundo estudiosos, pode ser entendido como uma alegoria às catacumbas romanas do inicio do cristianismo. Os 16 pilares curvos de concreto aparente que se unem no topo representariam a coroa de espinhos de Jesus.
A catedral possui um expressivo acervo de obras de arte: no lado externo, as esculturas dos quatro evangelistas, de Alfredo Ceschiatti, as pinturas de Di Cavalcante, os vitrais de Marianne Peretti, e um painel em cerâmica de Athos Bulcão, no Batistério.