Esta construcción se encuentra frente a la Plaza de Armas, en el mismo sitio donde estuvo la primitiva iglesia parroquial. La actual construcción de cal y canto, de orden dórico, se terminó en 1710. En la fachada, de estilo barroco, se había construido una sola torre, la del lado sur; las donaciones en oro y plata de los mineros embellecieron el templo. La construcción se remodeló de 1855 a 1866 al erigirse la Diócesis de San Luis Potosí, y la iglesia parroquial fue elevada a rango de catedral. En 1896, Ignacio Montes de Oca y Obregón mandó decorar el interior y se colocó el actual piso. La portada consta de dos cuerpos y remate; en el primero, acceso con arco trilobulado moldurado con clave y enjutas decoradas con relieves vegetales. Segundo cuerpo: ventana del coro con arco escarzano, enmarcado por cordón y relieves vegetales; remata la portada una torrecilla neoclásica. La portada lateral es la más antigua, su acceso tiene arco poligonal y clave con alto realce, a los lados del acceso, columnas tritóstilas con capitel corintio; entablamento: friso con relieves de lazos y una fauna predominante. El interior tiene planta basilical, bóveda de arista ornamentada con motivos vegetales, molduras y medallones de argamasa, cúpula de gajos con casetones y tambor poligonal. El altar principal con ciprés de dos cuerpos y planta circular, y en sus muros laterales, cuadros empotrados del Viacrucis, en mármol de Carrara y el sepulcro del obispo Montes de Oca; en el interior de la notaría, hay óleos de José de Páez (1758) y de los hermanos Rodríguez Juárez.
Las esculturas de los apóstoles que se encuentran en la fachada son de mármol de Carrara, copia en menor tamaño de las existentes en el interior de la Basílica de San Juan de Letrán en Roma. Para conmemorar el centenario de la Independencia se construyó la torre de lado norte, toda de cantera, copia exacta de la del lado sur. En 1935 la catedral fue declarada Monumento Nacional