O corpo principal da igreja recebeu cobertura em 1845, momento em que já se achavam presentes os primeiros sobrados, ruas e o projeto de um teatro (que em breve seria instalado nas imediações).
Uma vez erguido o corpo central da Matriz Nova, começaram os trabalhos de estruturação e ornamentação interna e externa, atividades que se estenderam por mais quatro décadas e que contaram com várias equipes de artistas, arquitetos, engenheiros, mestres de obra, artesãos e trabalhadores.
O primeiro grupo foi o de Vitoriano dos Anjos Figueiroa, um experiente entalhador bahiano trazido pela Irmandade do Santíssimo Sacramento que chegou a Campinas em 1853 com seus artífices aprendizes. Sua equipe conseguiu construir em poucos anos e em grandes proporções (pelo porte das taipas) o altar-mór, o balcão das tribunas, do coro e os dois púlpitos em estilo rococó tardio, revelando grande competência e dedicação. Mas, Vitoriano dos Anjos, cerca de dez anos depois, por desentender-se com o novo presidente das obras, foi dispensado, dando lugar ao ituano Bernardino de Sena Reis e Almeida, que realizou os altares da nave e as duas capelas laterais em estilo neo-barroco. Nesta ocasião, achava-se à frente dos trabalhos o arquiteto da Escola de Belas Artes do Rio de Janeiro, Bittencourt da Silva; autor do projeto da Igreja da Glória do Catete (RJ), edificação que então contava com fachada de torre única em estilo neo-clássico. As obras seguiram seu curso até o ano de 1866, momento em que o desmoronamento de uma parte dos alicerces (com a morte de quatro pessoas) recolocou em discussão o projeto da Matriz, seguindo-se novas trocas de equipes das quais participaram Vilaronga (1871), Cantarino (que retomou o projeto de Bittencourt, com alterações), Cristovam Bonini (1876) e Ramos de Azevedo (1879).
Na última fase dos trabalhos, o engenheiro Dr. Francisco de Paula Ramos de Azevedo, de posse do projeto do arquiteto Cristóvan Bonini, edificou uma nova estrutura de tijolos para sustentar os elementos decorativos. Seguindo o projeto de Bonini, foram criados três planos decorativos em estilo clássico. O primeiro se compunha de colunas de inspiração jônica e uma parte central saliente coroada por um frontão triangular e uma série de quadros em relevo com a gravação das principais datas históricas do templo. O segundo plano seria composto por duas janelas em arcada, de inspiração coríntia, e um grande relógio. O terceiro plano seria assentado em uma base quadrada com uma pirâmide de coroamento, esfera e cruz de ferro. Em 1923 a Catedral passou por reformas que criaram, entre outras intervenções, uma cúpula de cimento capaz de sustentar uma imagem da Virgem Maria, em lugar de um pequeno zimbório de vidros coloridos
