A igreja tem estilo neogótico inspirado nas grandes catedrais medievais européias, e todos os mosaicos, esculturas e o mobiliário que a compõem foram trazidos por navio da Itália. Em 1999, a arquidiocese de São Paulo decidiu pôr em prática uma ampla reforma no prédio da Catedral. O templo foi fechado e iniciaram-se as obras, que terminaram em 2002, com o restauro e também conclusão do prédio, até então interminado.

Agora, a Catedral conta com 14 belas torres laterais que constavam na planta original, de 1911, mas que até agora não tinham sido erguidas. Os vitrais e obras de arte, bem como as imensas portas, a iluminação e o carrilhão de sinos, também foram restaurados. A obra foi concluída com uma limpeza geral de toda a construção.

O som do templo também causa admiração. A igreja conta com um órgão composto por 10 mil tubos que, de acordo com Vera Regina Gomes, coordenadora de visitas turísticas da catedral, é o maior da América Latina. Ele foi construído na Itália e doado por uma companhia italiana para o Brasil.

Outro componente chama a atenção no templo: debaixo do altar principal da Catedral, há uma cripta, no subsolo. Lá estão, entre outros, os mausoléus do cacique Tibiriçá e do Regente Feijó, primeiro regente uno do Brasil imperial.