La cathédrale fut construite de 1806 à 1821 selon les plans de l'architecte Benjamin Henry Latrobe (le premier architecte professionnel du pays) et architecte de Thomas Jefferson pour le Capitole des États-Unis). La construction fut décidée par le premier évêque d’Amérique, John Carroll. Sa consécration eut lieu le 31 mai 1821 par le troisième archevêque, Ambrose Maréchal.
Le pape Pie XI éleva la cathédrale au rang de basilique mineure en 1937. En 1969, l'édifice fut classé sur le registre des lieux historiques et déclaré National Historic Landmark, en 1971.
L'édifice a accueilli la cérémonie funéraire de Charles Carroll of Carrollton, le seul signataire catholique de la Déclaration d'indépendance des États-Unis d'Amérique. La plupart des évêques du pays furent consacrés ici. Longtemps, l’édifice fut l'endroit privilégié pour ordonner les prêtres du pays. La basilique a accueilli le pape Jean-Paul II en 1995, Mère Teresa en 1996 et Bartholomée Ier de Constantinople en 1997.
La quatorzième restauration de l'édifice eut lieu entre novembre 2004 et novembre 2006. Elle fut ainsi ouverte à nouveau pour fêter le bicentenaire des débuts de sa construction.