Przygotowania do budowy najważniejszej łódzkiej świątyni trwały ponad 10 lat. Komitet Budowy powstał już w 1895 r., a w 1897 r. rozpisano konkurs architektoniczny o zasięgu międzynarodowym. Z 38 prac wybrano projekt łódzkiej spółki "Wende i Zarske". Projekt został w 1900 r. zatwierdzony przez Ministerstwo Spraw Wewnętrznych w Petersburgu i po poświęceniu, 19 maja 1901 r., na placu budowy rozpoczęto kopanie fundamentów. 16 czerwca tego samego roku arcybiskup warszawski Wincenty Chościak-Popiel poświęcił i wmurował kamień węgielny pod nowy kościół, którego patronem obrano św. Stanisława Kostkę.
W 1910 r. świątynia była prawie gotowa. Brakowało tylko wieży. Neogotycki kościół oblicowano nietypową, żółtą cegłą. W okna wmontowano piękne witraże. Przez następne dwa lata trwały prace wykończeniowe. W połowie 1912 r. zmontowano i poświęcono ołtarze boczne - pierwszy pw. św. Stanisława Kostki, drugi - pw. Matki Bożej Różańcowej, natomiast w grudniu zmontowany został ołtarz główny pw. Przemienienia Pańskiego, ufundowany przez prezesa Komitetu Budowy - przemysłowca Juliusza Heinzla.
Gdy po zakończeniu I wojny światowej papież Benedykt XV bullą Christi Domini (10 grudnia 1920 r.) utworzył diecezję łódzką, kościół pw. św. Stanisława Kostki podniesiono do godności katedry.
Konsekracji katedry 15 października 1922 r. dokonał bp Wincenty Tymieniecki, ówczesny jej proboszcz i pierwszy ordynariusz diecezji łódzkiej, którego staraniem dokończono budowę 100-metrowej, strzelistej wieży. Po śmierci Księdza Biskupa w 1934 r. pod zakrystią wybudowano kryptę, w której spoczywają biskupi: Wincenty Tymieniecki, Włodzimierz Jasiński, Michał Klepacz i Józef Rozwadowski.
Gdy wybuchła II wojna światowa, katedra została ograbiona, zamknięta i przeznaczona na składnicę wojskową. Po wyzwoleniu naprawiono dach i okna, odnowiono ołtarze i meble. Katedra znów zaczęła pełnić swoją funkcję sakralną.
11 maja 1971 r. wielki pożar strawił dach budowli, a spadające wraz z wodą kawałki pękających tynków uszkodziły ołtarz główny i w znacznym stopniu organy. Dzięki wysiłkom ówczesnego ordynariusza - bp. Józefa Rozwadowskiego niemiecka firma Eisenbarth z Passau zbudowała dla łódzkiej katedry dwa instrumenty: organy duże, 58-głosowe - na chórze głównym i mniejsze, 10-głosowe - na chórze bocznym nad prezbiterium.
13 czerwca 1987 r. katedrę łódzką nawiedził Ojciec Święty Jan Paweł II, który dwa lata później, w 1989 r., nadał katedrze tytuł bazyliki mniejszej. W 1992 r. świątynia pw. św. Stanisława Kostki stała się bazyliką archikatedralną.
Przy bazylice, pod patronatem obecnego ordynariusza diecezji łódzkiej - abp. Władysława Ziółka, za życzliwym przyzwoleniem proboszcza archikatedry - ks. kan. Ireneusza Kuleszy i pod serdeczną opieką księży, działają liczne koła, ruchy i stowarzyszenia świeckich.
Od 1995 r. bazylika jest iluminowana, co podkreśla jej szczególną urodę i majestat.