En el espacio que ocupa el templo de Santa María de Gracia fue donde se edificó la Iglesia de San Miguel, la primera catedral de Guadalajara, bajo la advocación de san Miguel Arcángel. Cabe mencionar que esta iglesia estaba a lado de la primera plaza mayor de la ciudad y ahora se conoce como la Plaza Fundadores. La antigua catedral fue un templo bastante sencillo de adobe. Hubo un incendio el 30 de mayo de 1574 que dañó severamente la iglesia. Tiempo después el centro de Guadalajara se cambió hacia la nueva plaza mayor, dónde se edificó la nueva catedral.[1]​

El 18 de mayo de 1561 se obtuvo autorización de Felipe II de España por cédula real para edificar la nueva iglesia catedral, cuyo costo sería cubierto por el Consejo de Hacienda; así que para el 31 de julio de 1561, Pedro de Ayala, a la sazón el segundo obispo de Nueva Galicia, colocó y bendijo la primera piedra del templo. Sin embargo su construcción no comenzó hasta 1571. Fue consagrada el 22 de octubre de 1618. En el siglo XIX el arquitecto José Gutiérrez reemplazó los retablos barrocos de madera dorada por unas parecidas pero ahora neoclásicas.[2]​

En 1818 un fuerte terremoto sacudió la ciudad, cuyas secuelas dejaron una nueva tragedia: las torres y la cúpula se habían derrumbado. Fueron sustituidas por unas nuevas, que también colapsaron durante un posterior sismo, en 1849. El obispo Aranda le encargó la construcción de las nuevas al arquitecto Manuel Gómez Ibarra, cuyas obras en Guadalajara destacan la cúpula del Hospicio Cabañas, el pórtico del Templo de Nuestra Señora del Pilar y el Santuario de San José de Gracia.[3]​ Se cuenta que después de la procesión de corpus, hacia 1850-1851, el prelado mitigaba el intenso calor de junio con pitayas, servidas en un platón adornado de figuras y paisajes, en el que además se ilustraban campanarios piramidales, justo como los actuales con que modeló a este recinto religioso el arquitecto, quien para aligerarlos ante el peligro de episodios sísmicos empleó como material constructivo la piedra pómez. La inversión del 30 de julio de 1851 al 15 de junio de 1854, fue de 33 521 pesos, más 7166 pesos en honorarios para el arquitecto, a razón de 2000 pesos anuales.[4]​

En 1915 fue despojada de su atrio con reja de hierro forjado que adornaba su frente que había sido mandado a construir por el primer arzobispo de Guadalajara, Pedro Espinosa y Dávalos. El gobernador Manuel M. Diéguez ordenó su destrucción para ampliar la avenida Alcalde.[5]​

El 21 de diciembre de 1938 el papa Pío XII la elevó a rango de basílica menor, dedicada a la Asunción de María.[6]​

En 1988 se comenzaron las intervenciones de la catedral. En 1993 se restauraron las torres y se demolió el antiguo altar mayor que era de mármol de Carrara y contaba con esculturas de los evangelistas.[2]​

Actualmente la iglesia catedral continúa en peligro: ha sido dañada por los sismos de 1932, 1957, 1979, 1985, 1995 y 2003. Entre los riesgos que presenta están: la breve inclinación de la torre norte, su ligero hundimiento y el daño estructural que ha sufrido la cúpula, entre otros. A causa de las vibraciones constantes que generan los vehículos circulantes por el túnel bajo avenida Hidalgo, se está dañando la edificación y la torre norte, que colinda justo con esta vialidad.[7]​