Aliás, essa história da sede é curiosa, porque, desde que a Arquidiocese do Rio de Janeiro foi criada, em 1676, ela não tinha um lugar próprio para funcionar, desse modo, usava igrejas emprestadas. Nos primeiros 58 anos, a sede funcionou em uma pequena igreja localizada no Morro do Castelo e, em 1734, mudou para a igreja de Santa Cruz dos Militares.
Pouco tempo depois, em 1737, a arquidiocese mudou novamente de local. Dessa vez, foi para a igreja de Nossa Senhora do Rosário e São Benedito dos Homens Pretos, onde ficou até a chegada da Família Real. Com isso, em 1808, aconteceu outra mudança e, então, a Igreja de Nossa Senhora do Carmo da Antiga Sé foi elevada à condição de Capela Real e serviu como sede até a inauguração da Catedral Metropolitana do Rio de Janeiro no dia 15 de agosto de 1979.
Entretanto, a Arquidiocese do Rio de Janeiro sempre quis um espaço próprio e definitivo para ser sua sede e fazer suas celebrações e missas. Esse sonho pôde ser realizado e concretizado em 1964, quando o Estado da Guanabara cedeu o terreno para a construção da catedral.
O projeto da catedral apresentou uma proposta diferente das igrejas coloniais tradicionais e rompia com os modelos antigos ao apresentar um estilo de construção moderno. O arquiteto responsável foi Edgar de Oliveira da Fonseca, e sua proposta seguiu ideias defendidas pelo Concílio Vaticano II, que, entre outras coisas, defendia a simplicidade na liturgia e a participação ativa dos fiéis. Dessa forma, o espaço foi pensado para acolher melhor o público.
O formato do edifício é circular e cônico e impressiona pelas suas dimensões, pois possui 75 metros de altura externa e 64 metros de altura interna. Seu diâmetro externo é de 106 metros, enquanto o interno chega a 96 metros. O espaço pode receber até 20 mil pessoas em pé ou cerca de cinco mil sentadas.
A porta principal da catedral tem 18 metros de altura e é decorada com 48 placas em baixo-relevo em bronze, que apresentam temas ligados à fé cristã. O interior foi planejado pelo padre Paulo Lachenmayer. Além disso, esculturas de Humberto Cozzo enriquecem o ambiente.
O interior da catedral é revestido em mármore branco e conta com painéis que representam as Missões. No presbitério, há esculturas criadas por Humberto Cozzo de São Sebastião e Sant’Ana. A sacristia fica atrás desse espaço e, acima dela, há uma área destinada a coral, orquestra e órgão. Próximo à sacristia está a capela do Santíssimo Sacramento, que abriga um grande sacrário e dois lampadários.
Na parte externa da sacristia, há quatro painéis em alto-relevo feitos por Humberto Cozzo. O artista também criou a cruz posicionada sobre o altar principal, suspensa por cabos de aço. Além disso, é responsável pelos relevos do pórtico e pela estátua de São Francisco de Assis.
Os quatro grandes vitrais da catedral representam as principais características da Igreja Católica. Cada um possui uma cor e um significado: o verde simboliza a Uni, com a imagem do bom pastor, o vermelho representa a Santidade, com figuras de santos, o amarelo simboliza a Católica, com referência às quatro raças e aos quatro evangelistas, já o azul representa a tradição apostólica, com a figura do primeiro papa, São Pedro, e seus sucessores.
No subsolo, há o Museu de Arte Sacra, que possui um acervo de cerca de cinco mil peças. Entre os itens mais importantes estão a pia batismal usada pela Família Real, a imagem de Nossa Senhora do Rosário, o trono de Dom Pedro II e a Rosa de Ouro concedida à Princesa Isabel pelo Papa Leão XIII após a abolição da escravidão.
Vale destacar também que a catedral passou por um processo de modernização, e um dos principais avanços foi a implantação de um sistema de iluminação em LED, inaugurado em 2010, com o objetivo de reduzir o consumo de energia e valorizar a estrutura do monumento. O projeto utilizou 91 refletores para destacar áreas importantes, como o corpo principal da igreja, o campanário e a estátua em homenagem ao Papa João Paulo II.