Les ducs de Lorraine, après de nombreux efforts, obtinrent l’élévation de leur capitale au rang de siège primatial en 1602. La cathédrale actuelle ne fut cependant bâtie que durant la première moitié du 18e siècle. Plusieurs architectes de renom participèrent à sa construction : Giovanni Betto conçut un plan inspiré de celui des églises romaines, qui fut simplifié par Hardouin-Mansart. Boffrand y apporta ensuite quelques modifications. Le résultat est un plan typiquement classique. A l’intérieur, le décor sculpté est rare et les voûtes sont restées nues. En revanche, à la croisée du transept, une coupole aplatie est couverte d’une fresque dédiée à la « gloire céleste ». La façade présente un aspect très équilibré. Au sommet de son corps central, un frontispice a remplacé un fronton triangulaire après l’abandon du projet initial d’élever un dôme. Deux tours carrées encadrent la partie centrale. Elles sont surmontées de pavillons octogonaux couverts d’un dôme ovoïde – que Victor Hugo baptisa les « poivrières Pompadour ». Parmi les éléments du mobilier, un Christ en croix de bois peint est attribué à Ligier Richier ; le buffet d’orgue, les grilles des chapelles sont de style rocaille. Le trésor renferme des objets liturgiques du 10e siècle qui ont appartenu à saint Gauzelin, évêque de Toul.