Catedrala a fost construită în perioada 1741-1749, după planurile unor arhitecți ai curții imperiale vieneze – Anton și Johann Martinelli, care au avut ca sursă de inspirație biserica Iezuiților din Cluj. Contractul cu arhitecții vienezi a costat 61.000 florini austrieci. În anul 1838, construcția a fost extinsă prin adăugarea a două turnuri monumentale.
Interiorul catedralei este impresionant. Cupola fiind realizată în patru registre în stil bizantin cu accente realiste. Primul registru îl are în plan pe Isus, ca mare arhiereu, înconjurat de papii Anastasie I, Leon I cel Mare, Ioan al VIII-lea, Silvestru I, Clement I, Grigore I cel Mare, Ipolit de Roma și Martin I. Portretele papilor au fost pictate de Iacob Zugravul. Al doilea registru reprezintă Liturghia Îngerească. Al treilea registru prezintă ciclul praznicelor: Nașterea Fecioarei Maria, Intrarea în biserică a Fecioarei Maria, Buna Vestire, Nașterea lui Isus, Botezul lui Isus, Întâmpinarea lui Isus, Duminica Floriilor, Învierea Domnului Isus, Înălțarea la Cer al lui Isus, Sfânta Treime, Schimbarea la Față, Adormirea Maicii Domnului. Al patrulea registru redă evenimente din viața Mântuitorului.
După ce a fost finalizată cupola, s-a început lucrarea la iconostas. Iconostasul a fost sculptat în Târgu Mureș, în lemn de tei de către tâmplarul Aldea. Ulterior, a fost adus la Blaj pe bucăți. Icoanele au fost pictate de către meșterul din Arad, Ștefan Tenețchi, în anul 1765.
Altarul are în compoziția sa trei picturi de-ale lui Raicu. În absidă se află pictura Coborârea Sfântului Spirit, în partea dreaptă Botezul lui Isus în Iordan și în partea stângă la masa proscomidiei, Punerea lui Isus în mormânt. Pe pereții de la scările amvonului se află picturi pe lemn, realizate tot de Raicu.