С 2009 года в стенах собора проходит образовательный курс Западноевропейская духовная музыка, дающий российским музыкантам знания и навыки в области григорианского хорала и органной импровизации. Основной объём храма был построен в 1901—1911 годах. Деньги на строительство были собраны польской общиной, и католиками других национальностей по всей России. Ограда собора сооружена в 1911 году по проекту архитектора Л. Ф. Даукша. Храм был освящен 21 декабря 1911 года. Строительство храма обошлось в 300 тысяч рублей золотом, дополнительные суммы были собраны в 1911—1917 годах на отделку и приобретение церковных принадлежностей. Отделочные работы внутри храма продолжались до 1917 года. В 1938 году храм был закрыт, церковное имущество разграблено, а внутри было организовано общежитие. Во время войны здание пострадало от бомбардировок, были уничтожены несколько башенок и шпилей. В 1956 году в храме расположился НИИ ʺМосспецпромпроектʺ. Была произведена перепланировка здания, полностью изменившая интерьер церкви, в частности, основной объём внутреннего пространства был поделён на 4 этажа. В 1996 году, после длительного скандального выселения НИИ ʺМосспецпромпроектʺ, храм был передан Католической Церкви. На протяжении нескольких лет в храме были проведены масштабные реставрационные и восстановительные работы и 12 декабря 1999 года Государственный секретарь Ватикана кардинал Анджело Содано торжественно освятил отреставрированный Кафедральный собор. Собор Непорочного Зачатия Пресвятой Девы Марии — неоготическая трехнефная крестовидная псевдобазилика. По различным свидетельствам считается, что для архитектора прообразом фасада послужил готический собор в Вестминстерском аббатстве, а прообразом купола — купол кафедрального собора в Милане. На шпиле центральной башенки установлен крест, на шпилях боковых башенок — гербы папы Иоанна Павла II и архиепископа Тадеуша Кондрусевича. В нартексе (притворе) собора находится скульптурное изображение Креста Господня с Христом Распятым. Над чашами с освящённой водой, у входа из нартекса в неф, слева в стену вмурован кирпич из Латеранской Базилики, а справа — медаль юбилейного 2000-го года. Стрельчатые оконные проёмы украшены витражами. Под оконными проёмами, на внутренних поверхностях стен, находятся 14 барельефов — 14 ʺстоянийʺ Крестного пути. Орган собора является одним из самых больших органов в России и позволяет стилистически безупречно исполнять органную музыку различных эпох.
