Строительство собора длилось почти 12 лет. Краеугольный камень был заложен в начале сентября 1958 года, а официально открыт он был только 31 мая 1970 года. В 1988 году автор проекта архитектор Оскар Нимейер был удостоен Притцкеровской премии.
Оскар Нимейер был атеистом, поэтому католическая церковь поначалу не хотела освящать новый церковь. Но церемония освещения все же состоялась в 1968 года, а в 2013 году папа римский Франциск во время визита в Бразилию отслужил мессу именно в этом храме. Поскольку церковь находится в Esplanada dos Ministerios, центре Бразилиа, где расположены все министерства страны, так такового постоянного прихода у нее нет, а большинство посетителей является туристами или работниками из данного района. Собор открыт ежедневно для публичного посещения.
Высота здания составляет 40 метров, а диаметр основания — чуть менее 70. Характерной особенностью сооружения являются 16 колонн дугообразной формы, которые выполняют роль опорных сооружений. Между колоннами размещены витражи с различными оттенками синего, белого и коричневого. Высота витражных частей фасада составляет 30 м.
На площади у церкви установлены четыре трехметровые скульптуры из бронзы, которые символизируют евангелистов. Они были созданы в 1968 году скульптором Данте Кроче. Внутри размещены скульптуры трех ангелов, которые закреплены на стальных тросах, подвешенных к потолку. Их длина варьируются 2,22 до 4,25 м, а вес составляет 100 — 300 кг. У входа в собор также расположена колонна с изображениями сюжетов из жизни Богоматери, написанных Атоном Булкао. Собор завершен колокольней с четырьмя колоколами, которые были подарены Испанией.