Lorsqu'est érigé le diocèse de Québec en 1674, l'église paroissiale Notre-Dame-de-l'Immaculée-Conception devient également église cathédrale. Vers 1740, la population croissante de la ville de Québec justifie une nouvelle construction. Cette tâche est confiée par l'évêque de Québec, Henri-Marie Dubreil de Pontbriand, à Gaspard-Joseph Chaussegros de Léry, ingénieur en chef du roi dans la colonie. Il procède alors à l'allongement du chœur, à la construction de deux bas-côtés et à l'élévation de la nef. La reconstruction est achevée en 1749.