En la década de 1940, Monseñor Felipe Torres Hurtado, titular de la Administración Apostólica de Baja California, quiso traer más franciscanos a Ensenada para enriquecer la cultura y la religión de la zona. Los primeros franciscanos de Ensenada, los padres Carlos Martínez, Guadalupe Parra y Nicolás J. Tinney llegaron a la ciudad el 2 de diciembre de 1947. Ellos tenían la idea de construir un santuario para la Virgen de Guadalupe y comenzaron la obra el 12 de junio de 1951, cuando colocaron la primera piedra bajo la supervisión del obispo Alfredo Galindo Mendoza. Previamente habían comprado el terreno, anteriormente en las afueras de la ciudad, a la familia Rudametkin.

Los primeros fondos se recaudaron en 1948.^[1]​ El 18 de octubre, el padre Felipe de Jesús López se hizo cargo de la construcción. El ingeniero de la catedral fue Carlos Macfarland. El lado de la nave que da a la Av. Juárez fue el primero en construirse y se usó para el culto mientras se construían otras partes de la iglesia. El otro lado de la nave, que da a Santa Sexta, se construyó y luego se convirtió en una sala de cine para recaudar fondos para la construcción. Sin embargo, no pudieron recaudar suficiente dinero a tiempo, por lo que tuvieron que construir la Sala Guadalupana para proyectar películas de 16 mm. El padre Felipe renunció a su puesto como supervisor para trabajar en otros proyectos en septiembre de 1959. La iglesia estaba casi terminada en ese momento.

La construcción continuó, con tres sacerdotes, el padre Fernando Cisneros, el padre Nicolás Pérez y el padre Benjamín Orozco, trabajando en gran parte del interior, añadiendo piezas de mármol negro, el altar y el retablo, vitrales y la pila bautismal. El santuario fue consagrado como parroquia el 12 de diciembre de 1967.^[1]​ El padre Felipe regresó a la iglesia el 11 de agosto de 1981 para terminar las torres. Se instalaron campanas electrónicas en la parte superior de las torres, que se terminaron en octubre de 1984. Las torres fueron bendecidas por el cardenal Sebastiano Baggio, acompañado por el arzobispo Girolamo Prigione y el obispo Emilio Carlos Berlie Belaunzarán el 9 de noviembre de 1984. La iglesia fue consagrada como santuario dedicado a la Virgen de Guadalupe el 12 de septiembre de 1987.

La diócesis de Ensenada se separó de la arquidiócesis de Tijuana en 2007,^[2]​ lo que resultó en que el santuario fuera consagrado como catedral en una celebración que tuvo lugar el 23 de mayo de 2007.^[3]​^[1]​

En 2011, algunas de las reliquias del Papa Juan Pablo II, incluyendo una cápsula de su sangre, visitaron la catedral como parte de una gira por México.^[4]​

En 1957, el Padre Felipe encargó una estatua de Cristo Rey para colocarla en una de las cúpulas de la catedral. Se fundió en Vaucouleurs, se envió a Los Ángeles y se trajo por tierra a Ensenada. Finalmente, la estatua se colocó en uno de los laterales de la catedral, ya que la cúpula no habría soportado su peso.^[1]​

José Lizaola pintó cinco pinturas de Nuestra Señora de Guadalupe para la iglesia, inspirándose en el Nican Mopohua.