En agosto de 1887, el ayuntamiento cedió un terreno en aquel entonces bajo el agua para la construcción de una nueva iglesia para el nuevo Ensanche de San Sebastián. En Agosto del mismo año se aceptaron las bases del concurso para realizar el proyecto. Entre los cuatro presentados, resulto ganador el arquitecto Manuel Echave a quien se le adjudico también la dirección de la obra.
Inaugurada en 1897, esta iglesia neogótica se inspira en modelos de catedrales góticas germanas y su realización concluyó en 1899 bajo la dirección de Ramón Cortázar.
Cuando la iglesia fue consagrada, Gipuzkoa dependía del obispado de Vitoria. Fue al constituirse en el año 1949 la diócesis de San Sebastián, cuando pasó a ser catedral. Se ejecutaron por tal motivo algunas modificaciones en la iglesia: el altar mayor neogótico original fue sustituido por la imagen del Buen Pastor en el ábside y las de los cuatro evangelistas (José Llimona, 1864-1943) en el crucero. En el altar mayor se instaló una sillería (1953) para el coro. También fueron reformadas la sacristía y parte de las criptas subterráneas. La última reforma de cierta importancia se realizó en 1972.
El acto de colocación de la primera piedra se celebró el 29 de septiembre de 1888, con asistencia de la familia Real española. Tras comenzar la construcción de las columnas en abril de 1889, se decidió realizar ciertos cambios en el proyecto. Las obras quedaron en manos de Benito Olasagasti mediante concurso-subasta, el cual estaba terminando las obras de la iglesia del Antiguo. Tras su fallecimiento en 1896, fueron sus hermanos los que continuaron el trabajo. Se inauguró la Catedral el 30 de julio de 1897 con la presencia de la familia Real, a pesar de que la torre aún no estaba terminada. La construcción de la Torre finalizó en 1899an mediante la dirección del arquitecto Ramón Cortazar, hijo del autor del Ensanche. En 1909 el arquitecto Churruca realizo la ampliación de la zona frontal y en 1929 el techo de detrás del ábside. La capilla, la decoración, los adornos, las agujas, etc. son obra de Julio Gargallo, así como las tallas de los altares adyacentes.
La Catedral se sitúa en el centro de San Sebastián, adquiriendo un lugar predominante en la plaza del Buen Pastor. Su fachada mira hacia la barroca de la iglesia de Santa María, creando con este eje la generatriz del Ensanche Cortázar, que son las calles Hernani y Mayor.
Al parecer, el arquitecto se inspiró en la catedral de Colonia y es uno de los ejemplos más interesantes del estilo neogótico. Se trata de una iglesia con planta de cruz latina con una superficie de 1915 metros cuadrados y un aforo de 4000 personas.
Desde la entrada principal, presenta tres naves que se convierten en cinco en las proximidades del presbiterio. La nave central es la principal, más alta y ancha que las demás (64 metros de longitud y 25 metros de altura). El crucero descarga en columnas de fustes cilíndricos. La torre-campanario, situada sobre el pórtico de entrada, tiene forma de aguja y se eleva 75 metros de altura. El edificio resalta su verticalidad, situándose sobre un zócalo accesible mediante una escalinata.
Carece de girola, pero incorpora arbotantes, pináculos, ventanales y más elementos característicos del gótico.
Los muros son de piedra arenisca con contrafuertes exteriores. Para ello se contó con piedra arenisca de la cantera de Igueldo. En cambio, en las cúpulas se utilizó piedra de tupa de Bugos Ocio y en los tejados del templo, pizarra de Angers, Francia.
La capilla principal, tras la reforma de 1972, está revestida por una sillería de coral de la casa Goicoechea y Arin de Vitoria. Sobre ella, cuelga del ábside central la talla del Buen Pastor, que estuvo en el altar mayor neogótico. Es obra del artista barcelonés Jose Llimona (1864-1943), quien hizo asimismo las tallas de los cuatro evangelistas procedentes del viejo altar que hoy en día ocupan su lugar en los pilares del crucero.
Dos rosetones cierran el crucero y bajo ellos, el proyecto inicial contaba con varias puertas que finalmente se sustituyeron por dos retablos neogóticos y dorados, colocados en los altares del Sagrado Corazón de Jesús y la Inmaculada Concepción de María en 1907 y 1917 respectivamente. Otros elementos de interés son los retablos y altares de la Sagrada Familia, Virgen del Carmen, San Antonio y San Francisco de Asís, todos ellos obra de Julio Gargallo. Gargallo también trabajo en los altares de Santa Teresa y Virgen del Perpetuo Socorro entre otros.
La cripta está situada bajo el presbiterio, hace funciones de sacristía parroquial desde la reforma de 1949-1953. En ella descansan los restos del primer párroco, D. Martín Lorenzo de Uriza.
Las vidrieras fueron diseñadas por Juan Bautista Lázaro. Las que cierran las siete ventanas dobles del ábside representan los doce apóstoles y a Jesús y María. El baptisterio también dispone de vidrieras figurativas. El resto de vidrieras se sitúan en ventanas dobles (zona superior) y en ventanas triples (zona inferior) y recorren gran parte de los laterales de la iglesia. Dos rosetones cierran el crucero y bajo ellos, el proyecto inicial contaba con varias puertas que finalmente se sustituyeron por retablos.
La iglesia cuenta con un gran órgano, uno de los mayores de Europa, con sus cinco teclados para manos, pedales y 125 juegos de sonido. El órgano de 30 toneladas cuenta con 9535 tubos de sonido, el mayor de los cuales mide 10 metros. A pesar de no tratarse de una reliquia, se concibe como ejemplo de la estética neoclásica en órganos. Fue construida por la empresa de Azpeitia OESA en 1953 y es el segundo órgano de que tiene la catedral.