La paroisse rattachée à la cathédrale se nomme Immaculée-Conception-de-la-Sainte-Vierge et comprend, en plus de la cathédrale, les églises de Notre-Dame-des-Sept-Allégresses, de Saint-François-d'Assise et de Sainte-Cécile. Elle comprend également dans le passé l'église de Saint-Philippe, démolie en 2015.
Le diocèse de Trois-Rivières fut érigé canoniquement par le papePie IX le . Thomas Cooke en devint le premier évêque. Le , il lança le projet de construction d'une cathédrale. Celle-ci fut conçue par l'architecteVictor Bourgeau qui s'inspira de la Trinity Church de New York[2]. Elle fut consacrée le et dédiée à Notre-Dame-de-l'Assomption[1],[4]. Elle comprenait alors un orgue réalisé par Ovide Paradis[5] et une cloche qui a été donnée par messieurs Turcotte et Larue. Elle fut parachevée, en 1904, lorsque l'architecte George Émile Tanguay compléta la façade et le clocher actuels et, en 1905, lorsque l'entrepreneur-architecte Jean-Baptiste Bourgeois édifia la flèche actuelle en reprenant le plan de Victor Bourgeau[4]. En 1905 également, un orgue de Casavant Frères fut installé[5]. En 1912, on installa un carillon de plus de 16 000 livres (environ 750 kg)[4]. La même année, l'orgue de Casavant Frères fut révisé[5].
En 1961, les cloches furent réparées[4]. En 1966 et 1967, la cathédrale connut une restauration importante dirigée par l'architecte Jean-Louis Caron de Trois-Rivières. À ce moment, le grand orgue fut retiré[4].
En 1992, après 27 ans avec un petit orgue de sept jeux, un orgue provenant de la paroisse de l'Immaculée-Conception de Montréal fut installé[4],[5].
En 2002, la cathédrale fut à nouveau restaurée[4].
La paroisse rattachée à la cathédrale se nomme Immaculée-Conception-de-la-Sainte-Vierge et comprend, en plus de la cathédrale, les églises de Notre-Dame-des-Sept-Allégresses, de Saint-Philippe, de Saint-François-d'Assise et de Sainte-Cécile[4].