Cette ancienne église de l'abbaye du Saint-Sépulcre ne fut érigée en cathédrale qu'après la Révolution. Elle a été édifiée au début du 18e siècle en style classique et présente de nombreuses similitudes avec la cathédrale d'Arras, bâtie à la même époque. La nef, de cinq travées, est flanquée de collatéraux et ouvre sur un transept terminé par deux chapelles en forme d'abside. Les grisailles en trompe-l'œil des chapelles, exécutées vers 1760, sont l'œuvre du Flamand Martin Geeraert. Le chœur, bordé d'un déambulatoire, comporte un baldaquin baroque monumental. Sa chapelle absidiale abrite le tombeau de Fénelon, le plus célèbre des archevêques de Cambrai.