Le rêve de Charles III de faire de Nancy un évêché se réalisa en 1755 lorsque l'église du Primat de Lorraine devint cathédrale. Le sanctuaire projeté dès le début du XVII^ème siècle reçut le concours de Mansart, qui en avait fourni les plans. Boffrand reprit les travaux, qui s'étendirent su 40 ans, sans parvenir à respecter le plan initial. Une vierge à l'enfant de César Bargard et des boiseries attribuées à Boffrand décorent le chœur. Mise en chantier au début du XVIII^ème siècle par l'architecte Giovanni Betto, la Primatiale reprend la forme en croix latine de Santa Andrea della Valle. Hautes de 78 mètres, les tours ornent un fronton qui prolonge les colonnes autour de l'horloge.
A l'intérieur, la nef à trois travées est bordée de chapelles latérales. Les chapelles Saint Fiacre et la chapelle des Évêque ont été fermées par les grilles de Jean Lamour.
Les différentes chapelles ont été décorées par nombre d'artistes lorrains, parmi les quels Jean Girardet (tableau de la chapelle du Sacré Cœur), Ligier-Richier (sculpteur meusien - croix au dessus de la porte de la chapelle absidiale droite), Germain Boffrand (dessins, boiseries et stalles du chœur), Simon Drouin (statue Saint-Roch, chapelle des Évêque), Claude Jacquart (la coupole de la croisée du transept d'un diamètre de 27,2 mètres).
Les grandes orgues de 1757 comptent 64 jeux et 4164 tuyaux.
Le Trésor de la Cathédrale : La sacristie contient des œuvres et reliques en provenance de l'abbaye de Bouxière-aux-Dames. Le trésor est l'un des plus riches de France : évangéliaire et objets du X^ème siècle.