Teniendo una historia tan significativa, la arquitectura de Brasilia, refleja tanto la riqueza y la importancia de la cultura, como una ciudad planificada. La iglesia como institución tiene mucha importancia en la sociedad, por lo que el diseño de ésta materializa un significado y personalidad únicos que se contraponen a las formas presentes en su entorno. Oscar Niemeyer pretendía hacer una clara declaración mediante la expresión de grandes proporciones y diseño único presentes en la Catedral de Brasilia, lo que derivó posteriormente a que recibiera el Premio Pritzker en 1988.
La primera piedra fue colocada a principios de septiembre de 1958, cuando los diseños comenzaron a ser propuestos y totalmente planeados por Oscar Niemeyer.
Con un diámetro de 70 m, la única estructura visible de la catedral son dieciséis columnas de hormigón de forma muy peculiar. La intención de alcanzar el cielo con las dos manos se ve representada por largos elementos que se proyectan en altura, curvaturas blancas y de sección parabólica hacen el gesto.
Después de la adición de las ventanas exteriores transparentes, la catedral fue dedicada el 31 de mayo de 1970. Una continua vigilancia simbólica resguarda la catedral desde el exterior, cuatro esculturas de bronce de 3 m cada una, cumplen ese rol. Estos representan a los evangelistas y se hicieron con la ayuda de Dante Cruz en 1968.
Más esculturas se pueden ver el interior de la nave, donde tres ángeles se encuentran suspendidos por cables de acero desde la estructura central. Con un tamaño que varía entre los 2.22 y 4.25 m de largo y un peso de 100 kg, 300 kg cada uno, fueron realizados por Alfredo Ceschiatti y Croce Dante en 1970.
Azulejos de cerámica pintados a mano cubren las paredes del baptisterio de forma ovalada, estos fueron hechos por Athos Bulcão, un pintor y escultor brasileño, en 1977. La Catedral se completa con su campanario que acoge cuatro campanas de bronce que fueron donadas por España.
Más detalles obvios del interior son las vidrieras de colores, con diferentes tonos de azul, blanco y marrón. Estos enormes vitrales fueron integrados y diseñados para encajar entre las columnas de acero, el resultado fueron paños triangulares de 30 m de alto que se extienden a través de 10 m.
Al entrar en la Catedral, se alza una columna de mármol con imágenes de los pasajes de la vida de la Virgen, pintado por Athos Bulcão.
Debido a que está ubicado en la Esplanada dos Ministerios, no hay una comunidad que asista a los servicios fijos. La mayoría de los que vienen a la misa son turistas o trabajadores de la Esplanada. La Catedral está abierta todos los días para visitas públicas.