Năm 1906, khi Thái Bình còn nằm trong Giáo phận Trung, cố Tây Ban Nha Andres Kiên đã lãnh trách nhiệm chỉ đạo việc xây cất ngôi đường với chiều dài hạn chế. Mãi đến năm 1937 khi Giáo phận vừa thoát thai, thánh đường thị xã trở thành nhà thờ chính tòa Giáo phận, Đức Giám mục tiên khởi Gioan Casado Thuận mới truyền cho cố Tây Ban Nha Rengen Lễ là cha sở xứ Thái Bình lúc ấy đốc công xây cất thêm phần nhà thờ từ cánh thánh giá trở lên, đồng thời lập bàn thờ sơn son thếp vàng, làm cho ngôi thánh đường trở nên đồ sộ, rộng lớn, bề thế, khang trang hơn nhiều, xứng tầm vóc của ngôi thánh đường mẹ, thánh đường của Đức Giám mục, trung tâm hội tụ Phụng vụ của toàn Giáo phận.
Trong thời kỳ chiến tranh 1954-1975, nhà thờ chính tòa đã hai lần bị trúng bom vào ngày 19-08 và 12-10-1967 gây hư hại nặng cho nhà thờ. Trong hoàn cảnh chiến tranh và nghèo khó Đức cha Đaminh Đinh Đức Trụ cùng với hàng giáo sĩ và giáo dân từng bước sửa chữa tạm thời. Đức cha Giuse Đinh Bỉnh tiếp tục công việc sửa chữa, và cuối cùng, năm 1995, Đức cha Phanxicô Xaviê Nguyễn Văn Sang, Giám mục chính tòa Giáo phận Thái Bình, đã sửa sang để trở thành ngôi thánh đường khang trang đẹp đẽ.
Ngày 02-02-1996, lễ Đức Mẹ Dâng Chúa Giêsu trong đền thờ, Đức Giám mục Giáo phận đã long trọng cử hành thánh lễ cung hiến nhà thờ chính tòa để ghi nhớ muôn đời.
Để chuẩn bị cho những kỉ niệm lớn: 100 năm xây dựng nhà thờ chính tòa, 60 năm thành lập Giáo phận Thái Bình, Đức Giám mục Giáo phận cùng với toàn thể linh mục, nam nữ tu sĩ và giáo dân lên kế hoạch trùng tu lại ngôi nhà thờ chính tòa đã xuống cấp trầm trọng.
Nhà thờ chính tòa cũ đã được xây dựng từ năm 1906, đã được trùng tu hai lần dưới thời Đức cha Đaminh Đinh Đức Trụ do cha Giuse Mai Trần Huynh là quản xứ Thái Bình thực hiện; một lần dưới thời Đức cha Phanxicô Xaviê Nguyễn Văn Sang do cha Giêrônimô Nguyễn Văn Đạo thực hiện. Nhà thờ chính tòa được xây bằng các vật liệu kém là gạch thủ công, cát đào đồng nội với vôi nung gia công, không có bê tông cốt sắt. Trần nhà thờ được thiết kế bằng các chất liệu vôi vữa, rơm tre. Toàn bộ các xà cong được treo bởi các gông bằng gỗ; xà trần và các đầu mộng các xà vòm vì tuổi thọ quá dài nên đã bị mục nát, dù đã khôi phục bằng những dây thép buộc chằng chịt, nay đến ngày sụp đổ. Toàn bộ mái nhà thờ gồm hoành, rui, gỗ và ngói được dựa trên các xà ngang bằng hai thanh sắt chữ I, đã mục nát; quá nhiều lần sửa chữa đã phải dùng giây thép và ốc bulông vít lại, trận bão năm 1997 đã làm nhiều xà bị gãy, toàn bộ lan can bị vỡ nát do tình trạng thụt lún của nhà thờ.
Để tránh tình trạng xấu nhất có thể xảy ra là nhà thờ có thể đổ bất cứ lúc nào trong lúc dâng thánh lễ có đông người tham dự. Theo ý kiến của các chuyên gia xây dựng, nếu trùng tu nhà thờ chính tòa thì kinh phí gấp 2,5 lần xây dựng nhà thờ mới. Vì vậy, Đức Giám mục Giáo phận và toàn thể linh mục đoàn và giáo dân đã quyết định cho xây nhà thờ mới.
Để thuận lợi cho việc xây dựng ngôi thánh đường mới xứng với tầm vóc của ngôi nhà thờ mẹ trong Giáo phận, Đức Giám mục và cha xứ nhà thờ chính tòa đã làm đơn yêu cầu trả lại khu đất trước kia của nhà thờ. Sau một thời gian chính quyền cùng với những hộ sử dụng đất đã đồng ý trả lại cho Giáo phận với quỹ đất là 2.986 m2. Năm 2003, Đức Giám mục Giáo phận đã đặt viên đá góc tường, nhưng phải hai năm sau, tức ngày 17-07-2005, nhà thờ chính thức khởi công. Yêu cầu kiến trúc đối với ngôi nhà thờ mới phải đáp ứng được xu hướng mô hình kiến trúc đồ họa đang thịnh hành ở Việt Nam và được địa phương ưa chuộng từ kiểu dáng cho tới đường nét. Phải cố gắng diễn tả càng nhiều ý nghĩa tôn giáo càng tốt; không dập khuôn theo kiến trúc phương tây: gotique, tum, vòm v.v.; không chạy theo kiến trúc Á Đông như cung đình, chùa chiền, lăng tẩm v.v.; không lòe loẹt, rườm rà; phải đảm bảo độ bền vững lâu dài; phải có tầng trệt để xe cho người dự lễ v.v..
Trải qua quá trình thi công đến ngày 13-10-2007, ngôi Nhà Thờ Chính Tòa Thái Bình mới đã được Đức Giám mục Giáo phận cùng với các Đức Giám mục toàn quốc vừa họp xong khóa họp thường niên tại Hà Nội đã về dự lễ và cắt băng khánh thành và thánh hiến.
