O atual edifício da catedral começou a ser construído apenas em 1884. O projeto foi encomendado ao engenheiro e arquiteto baiano Francisco Caminhoá, que concebeu um edifício em estilo neogótico, muito em voga na época, inspirado especialmente nas antigas catedrais do norte da França. A obra ficou a cargo da empreiteira de Manuel Pereira Jerônimo, filho de uma das primeiras famílias a se instalarem na cidade, vindas da Ilha do Pico, nos Açores.

Interior da Catedral.

Em 1920, foi anulado o decreto que bania a Família Imperial do Brasil, e já em 1921 os restos de D. Pedro II e D. Tereza Cristina foram trazidos do Mosteiro de São Vicente de Fora, em Lisboa, para o Rio de Janeiro, onde foram alojados na Catedral Metropolitana. Em 1925 os restos foram transferidos para a sacristia da catedral de Petrópolis. Finalmente, em 5 de dezembro de 1939, o presidente Getúlio Vargas e outras autoridades inauguraram o Mausoléu Imperial, para onde foi transferido definitivamente o sarcófago do Imperador e da Imperatriz. Em 1971 também foram sepultados no mausoléu a Princesa Isabel e seu marido, o Conde d'Eu.