Em 1813 foi dado início à construção da Igreja Matriz: um pequeno santuário de alvenaria com duas águas e telhas de barro. Em 23 de dezembro do mesmo ano, a capela já estava sendo finalizada e a imagem de São Francisco de Paulo foi colocada no altar.

Em 1826, após ter sido destruída por um raio, foram iniciadas as obras de um "novo templo". Em meados do século XIX, a Catedral já apresentava a fachada atual e em 1915 o interior sofreu uma ampliação.

Em 1910, a matriz recebeu o título de Igreja Catedral e em 1933, uma grandiosa reforma foi realizada.  O atual prédio só apareceu entre 1947 e 1948, quando o bispo Dom Antônio Zattera promoveu grandes melhorias, incluindo a grandiosa cúpula.

As obras foram planejadas pelo arquiteto Victorino Zani e para decorar seu interior, vieram da Itália os mestres da arte sacra, Aldo Locatelli, Emílio Sessa e Adolfo Gardoni. A inauguração ocorreu em 19 de março de 1950. Por fim, recebeu o título de Catedral Metropolitana de Pelotas pelo Papa Bento XVI em 13 de abril de 2011.