Budowa katedry rozpoczęła się w 1901 r. i trwała 11 lat. Główna bryła świątyni była gotowa w 1910 r. W kolejnym roku położono sklepienia żelbetowe, a w latach 1911 i 1912 położono posadzkę i montowano witraże.
Świątynia zaczęła wówczas już pełnić funkcje liturgiczne. Jednak ze względu na kłopoty finansowe oraz nieporozumienia z firmami budowlanymi i architektonicznymi przed wybuchem I wojny światowej nie udało się wybudować wieży. Po odzyskaniu niepodległości przez Polskę w 1918 r. sytuacja dodatkowo się skomplikowała. Łódź bardzo zubożała na skutek działań wojennych, zmieniły się też rynki zbytu głównych fundatorów świątyni. Jednak rola Łodzi wzrastała, dlategopapież Benedykt XV bullą „Christi Domini” 10 grudnia 1920 r. utworzył diecezję łódzka, a kościół św. Stanisława Kostki podniósł do rangi katedry.
Dokończenia budowy świątyni podjął się pierwszy biskup łódzki, Wincenty Tymieniecki, dotychczasowy proboszcz kościoła. Dzięki jego staraniom w październiku 1927 r. udało się zakończyć budowę wieży. Ma ona wysokość 104,5 metra i jest jednym z najwyższych budynków w mieście.
Co ciekawe, dzwon „Zygmunt”, który w 1927 r. znalazł się na wieży, był od niej o 16 lat starszy. Został odlany już w 1911 r. ze składek mieszkańców Łodzi i umieszczony na dzwonnicy stojącej obok katedry. W czasie II wojny światowej dzwon został zrabowany przez wojsko niemieckie i najprawdopodobniej przetopiony. Dzięki ponownym składkom w 2011 r. odlano nowy dzwon, któremu nadano imię „Serce Łodzi”.