Projetada por Oscar Niemeyer para ser um centro religioso ecumênico, a Catedral transformou-se numa igreja católica que foge ao estilo tradicional, por sua arquitetura arrojada. Situada no início da Esplanada dos Ministérios, essa marca registrada de Brasília foi inaugurada em 1967, após 12 anos de construção. Sua nave circular fica abaixo do nível do solo e para chegar lá o visitante passa por um túnel de paredes e piso pretos que desemboca em um local de penumbra chamado "zona de meditação". Só depois desse trajeto é que se atinge a nave, banhada por luz natural filtrada pelos vitrais coloridos que formam suas paredes.

A Catedral possui um acervo de obras de arte onde se destacam três anjos que pendem do teto, esculpidos por Alfredo Ceschiatti; 14 painéis de Di Cavalcanti representando a Via Sacra; a Vida de Nossa Senhora, pintada por Athos Bulcão; a réplica da Pietá de Michelângelo; a imagem de Nossa Senhora da Esperança (réplica da imagem que acompanhou Cabral na descoberta do Brasil); a imagem de Nossa Senhora Aparecida; os vitrais de Marianne Peretti e uma cópia do Santo Sudário. O altar-mor foi doado pelo Papa Paulo VI, que também abençoou a cruz metálica colocada no topo do templo e onde se acredita haver um fragmento da cruz de Cristo.

Do lado de fora estão os Evangelistas, quatro estátuas em bronze de Ceschiatti representando São Mateus, São Lucas, São Marcos e São João, e os quatro sinos do campanário, que foram doados pelos imigrantes e governo da Espanha, inicialmente chamados de Santa Maria, Pinta, Niña e Pilarica, e depois rebatizados de Nossa Senhora Aparecida, Porto Seguro, Nossa Senhora de Santana e Nossa Senhora do Pilar.