Cette splendide cathédrale, dans l'état où elle se trouvait à la fin du 15è siècle, fut malheureusement détruite durant la période post-révolutionnaire. C'est dans l'église abbatiale du St-Sépulcre, que Mgr Belmas transféra son siège épiscopal ainsi que l'Icône Notre-Dame de Grâce. L'importance de cette Icône et le fait qu'elle valut à la cathédrale son élévation au rang de basilique, nous oblige à y consacrer toute une description dans une autre section de ce site.
Pour lors, notons que – devenue cathédrale – l'abbatiale reçoit, dans sa crypte, les ossements des anciens évêques et archevêques, retrouvés sous l'ancienne cathédrale. C'est là évidemment que seront désormais inhumés, outre Mgr Belmas, les cardinaux et les archevêques de Cambrai, avec parfois (en plus des plaques mortuaires) des monuments funéraires dans la cathédrale.
L'actuelle cathédrale au XVIII - XIXè
C'est ce dont bénéficie Fénelon, le plus illustre d'entr'eux. Napoléon Premier, ordonna de rechercher ses restes. Le sculpteur David d'Angers fut chargé d'exécuter le monument funéraire dans la nouvelle cathédrale. Le 16 août 1823, le maire de Cambrai posa la première pierre. Lors de l'inauguration, le 7 janvier 1826, et le transfert des ossements, le 22 du même mois, on put admirer un gisant de marbre très expressif : corps soulevé, regard illuminé, mains modelées avec délicatesse, draperies heureusement rendues…
Au-dessus du gisant, ont été refaits, en 1995, des ornements de marbre disparus au cours de la guerre de 1914 : des guirlandes de feuillage avec un calice surmonté d'une hostie. 
Au-dessous du gisant, 3 beaux bas-reliefs : de droite à gauche
- Fénelon, précepteur du dauphin de France,
- Fénelon, pansant des pauvres et des blessés après la bataille de Malplaquet,
- Fénelon ramenant une vache à des paysans qui l'avaient perdue.
En 1859, un malheureux incendie ravagea la cathédrale. Les dégâts furent considérables : la plus grande partie du mobilier était en cendres, les voûtes étaient endommagées (mais l'Icône Notre-Dame de Grâce et les 9 grisailles furent préservées). Après un moment d'hésitation, on décida de conserver le bâtiment. Faisant partie de la commission consultée, Viollet-le-Duc déclara que la cathédrale endommagée était l'une des plus belles églises complètes du 18è siècle et un spécimen du plus pur style Louis XIV.
La restauration fut confiée à Henri de Baralle. A cette occasion, furent ajoutées 5 chapelles autour du déambulatoire ainsi que la chapelle St-Michel – comme oratoire de l'archevêque – à côté de celle de Notre-Dame de Grâce. On déplaça et modifia les sacristies ainsi que la salle capitulaire et d'autres pièces annexes. Un maître-autel monumental fut édifié dans le chœur et la façade reçut une riche ornementation de sculptures. Enfin, fut élevé un majestueux clocher, surmonté d'une couronne de 3 m. de haut et d'une statue de Notre-Dame de 5,5 m., le tout doré.
Le 12 mai 1894 eut lieu la consécration de la cathédrale restaurée et agrandie. Le 14 mai suivant ce fut l'inoubliable fête du couronnement de Notre-Dame de Grâce. Enfin, le 17 mars 1896, le pape éleva au rang de basilique, la cathédrale métropolitaine de Cambrai.
Dans les derniers mois de la guerre 1914-1918, par des pluies d'obus marquant l'avance des alliés, la cathédrale subit une lamentable dévastation : notamment la toiture, le clocher, les vitraux, le mobilier.
Le 12 juillet 1931, la cathédrale fut de nouveau inaugurée et reçut 3 nouvelles cloches l'année suivante afin de remplacer celles envoyées à la fonte par les Allemands.
Après la guerre de 1939-1945, ayant été abîmée par quelques projectiles, la statue de Notre-Dame fut descendue du clocher.
En 1958, elle y fut remontée après avoir reçu quelques modifications et une nouvelle couronne plus simple.
Un événement récent a également marqué la Cathédrale : le 20 avril, St jour de Pâques 2003, au sein d'un choeur rénové (le lien ci-contre vous renvoie vers la visite du choeur) par l'architecte orfèvre Goudji, a été consacré un nouvel autel par Mgr François Garnier, archevêque de Cambrai.
D'origine géorgienne, Goudji est le seul artiste vivant dont des oeuvres soient classées au Patrimoine mondial de l'Unesco, en raison de la rénovation qu'il a effectuée du choeur de la Cathédrale de Chartres.
D'autres cathédrales, abbatiales ou églises, y compris le Vatican, ont bénéficié d'oeuvres créées par Goudji, artiste pareillement renommé en art profane.
A Cambrai, il s'agit de l'autel, de l'ambon, de la cathèdre, de la croix de procession, de sièges, du porte cierge pascal et différents objets cultuels... (des photos de ces oeuvres, dans le diaporama à la fin de cette page).
Notons enfin que la cathédrale est l'église mère d'un diocèse impressionnant. Jusque 1094, avons-nous vu, il englobait l'actuel diocèse d'Arras. Qui plus est, étiré du sud au nord, il s'étendait jusqu'à Bruxelles et Anvers compris. A l'ouest, sa limite était formée par le cours de l'Escaut. A l'est, il allait aux portes de Louvain, Nivelles, Thuin, Chimay. Cette situation dura jusqu'en 1559 où, pour des raisons religieuses et politiques, le diocèse de Cambrai perdit toute sa partie septentrionale au nord de Hal et de Lessines.
Ceci étant, le titulaire du siège y gagna le titre d'archevêque d'une nouvelle province ecclésiastique qui comprenait – outre Cambrai – Arras, Namur, Saint-Omer et Tournai. En raison de cette responsabilité pastorale, l'église cathédrale de l'archevêque se dénomme encore "la métropole", appellation courante jusqu'à ces derniers temps. Par son étymologie, "métropole" signifie "mère-cité", c'est-à-dire – pour l'archidiocèse et sa province – source et référence de la vie chrétienne.
Un des symboles en est la "croix archiépiscopale" à 2 droites horizontales
ou encore le "pallium" reçu du pape et porté par l'archevêque dans sa province :
bande de tissu blanche, en forme de croix, recouverte de nombreuses autres croix.
Nouveau changement de territoire en 1790 avec la Constitution civile du clergé et le concordat de 1801 : le diocèse de Cambrai fut calqué sur les limites du département du Nord. Enfin, le 25 octobre 1913, une partie importante du diocèse de Cambrai fut amputée pour créer le diocèse de Lille en raison du développement grandissant de Lille et Dunkerque.