Im Jahr 1905 genehmigte der Detroiter Bischof John Foley die Gründung einer Pfarrei mit dem Namen Allerheiligstes Sakrament, um die katholische Gemeinde in den neu erschlossenen Wohngebieten Woodward Avenue-Boston Boulevard zu versorgen. Der erste Gottesdienst der Pfarrei wurde im August 1905 in einer alten Schuhfabrik abgehalten. Nach anfänglichen finanziellen Problemen wurde 1913 mit dem Bau der Kirche unter der Leitung des Architekten Henry A. Walsh begonnen.
Das Äußere der Kirche wurde 1915 fertiggestellt, allerdings ohne die Zwillingstürme an der Woodward-Fassade. Die Arbeiten im Inneren verzögerten sich aufgrund fehlender Mittel. Pater John Connolly, der Gründungspfarrer, hielt die erste Messe am 13. August 1916 in dem nackten Gebäude, das sich noch im Bau befand. Der Innenraum wurde 1930 fertiggestellt und an Thanksgiving desselben Jahres eingeweiht.
Am 22. Mai 1937 wurde die Diözese Detroit zur Erzdiözese erhoben, und das Allerheiligste Sakrament wurde zur Kathedralkirche ernannt und ersetzte St. Patrick, das seit 1877 als Kathedrale gedient hatte. Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs waren die Finanzen besser gesichert, und George Diehl wurde als Nachfolger von Walsh ausgewählt, um den Außenbau der Kirche fertigzustellen. Nach der Fertigstellung des Außenbaus wurde die Kathedralkirche am 17. November 1951 geweiht. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts musste die Kathedrale modernisiert werden, und es wurden Pläne für eine vollständige Renovierung des Innenraums unter der Leitung von Gunnar Birkerts erstellt. Am 25. März 2003 feierte die Erzdiözese Detroit die Wiedereinweihung der Kathedrale.
Die Kathedrale ist im Stil der normannischen Gotik aus Ohio-Sandstein mit Akzenten aus Indiana-Kalkstein erbaut. Die 22 großen, farbenfrohen Glasfenster im mittelalterlichen Stil wurden von den Willet Studios aus Philadelphia entworfen. Der Bildhauer Corrado Parducci schuf einen Großteil der Statuen, die den Altarraum schmücken. Die Kathedrale beherbergt zwei Pfeifenorgeln: die umgebaute und modernisierte ursprüngliche Casavant Frere-Orgel mit mehr als 3.500 Pfeifen und eine Austin-Orgel mit 1.745 Pfeifen.
