בונים קתדרלה
לאחר האישור המבוקש הבנייה החלה ב-1883. יחד עם זאת, השיגה העיר מדריד הישג פוליטי נוסף כאשר הכנסייה שלה הוכרה כבישופוּת. עובדה זו איפשרה לבישופות החדשה להפוך את הכנסייה המרכזית לקתדרלה. כתוצאה מכך, כל תכנון הבנייה עבר שינוי במטרה לשקף את מעמדו המחודש והרם של המבנה העתידי.
העיצוב החדש היה של האדריכל מארקז דה קובס. עיצוב זה מציג סגנון ניאו-גותי ברור, על מבנה קתדרלה נפוץ המעוצב כצלב נוצרי מערבי (כלומר לא מרובע).
הבנייה של הקתדרלה התקדמה בעצלתיים ואף הגיעה לעצירה מוחלטת בזמן מלחמת האזרחים הספרדית ב-1930. ב-1944, בעיצומו של המתח התרבותי בספרד, העיצוב של קובס לקתדרלה ספג מטח ביקורות עקב סגנונו הניאו-גותי אשר היה מנוגד לסגנון הניאו-קלאסי של השכן המפורסם לקתדרלה העתידית ואחד האתרים החשובים של מדריד – הארמון המלכותי. הסיבות לביקורות לא היו רק הארמון אלא בעיקר מכיוון שהסגנון הניאו-גותי היה משוייך יותר באותה תקופה לשכנה הקטלונית והשנואה, ברצלונה.
ועדה ממונה בחרה עיצוב חדש לקתדרלה של הארכיטקטים פרננדו צ’וקאה גוטייה וקרלוס סידרו. הם הציעו עיצוב ששימר חלקים רבים מעיצובו של קובס, אך כלל גם מאפיינים קלאסיים יותר הקרובים יותר לתרבות הקסטיליינית.
בעוד שהעבודות עצמן על הקתדרלה נמשכו עד 1999, השלמת המבנה הוכרזה כבר ב-1993, בשנה בה האפיפיור ג’ון פול השני קידש את הקתדרלה החדשה. (את פסלו של האפיפיור אפשר לראות עד היום בחזית הקתדרלה).

הקתדרלה לקראת שקיעה
מעניין לדעת!
הסגנון הניאו-גותי היה באותם שנים הסגנון הנפוץ לבניית כנסיות באירופה כולה ובעיקר בספרד.
סגנון זה כלל הרבה סגנות משנה מקומיים שהמפורסם שבהם הוא המודרניסטה בברצלונה, שהדוגמה המובהקת שלו היא הסגרדה פמיליה המפורסמת.
סגנון זה נתן את הטון ללא מעט שיפוצים וחידושים של כנסיות באירופה – למשל כנסיית סנט ויטוס שבמצודת פראג.