В східну стіну костелу вмуровані гарматні ядра, як нагадування про турецьку облогу Львова в 1672 р. Про це говорить і напис над найбільшия ядром: «Ex obsidione turcica». (Польський тижневик Tygodnik Ilustrowany за 1867 р. в своєму короткому описі катедри приводить весь напис з ядра: навіть дивно, що на одній залізній кулі змогло уміститися стільки - майже півсотні! - пафосних слів). Вище розташовано ядро з написом «Ex obsidione ruthenorum» («З української облоги») — згадка про березневі події 1919 р. і українсько-польську війну. На східній же стіні, з боку вул. Галицької, є й зображення ікони, встановленої відомим геометром Юзефом Вольфовичем на згадку про передчасну смерть від хвороби його 9-річної онучки Катерини, доньки Войцеха Домагалича. Сталося це 1598 р.

Перебудова катедри у стилі бароко почалася в 1760 р. за участю львівського архітектора Петра Полейовського. На той час храм перебував в мало не аварійному стані. Було демонтовано і перебудовано старі вітарі і каплиці, споруджено нові. Чудотворний образ перенесли у головний вівтар святині. Станіслав Сроїнський виконав у 1769-1775 рр. розпис інтер’єрів костелу. 1776 р. "чудотворна" ікона була коронована, а храм оголошено Санктуарієм Матері Божої Милосердної.

Барочний вигляд головної католицької святині Львова був не всім довподоби: наприкінці ХІХ ст., в часи моди на неоготику, комітет на чолі з єпископом Яном Пузиною вирішив повернути споруді готичний вигляд. Та ініціатива львівського кліру не знайшла підтримки у верхах, у Відні. В результаті перебудовано було лише пресбітерій. У 1910 р. папа Пій Х присвоїв катедрі титул малої базиліки.

В ті австро-угорські часи собор налічував відразу дві казальні: одна для польської громади міста, інша ж - для німецькомовних його жителів. Формально меси німецькою мали служити й інші костели Львова, але всім вдалося сяк-так від цього обов'язку ухилитися (домінікани тримали для таких цілей німецького каплана, котрий ніц не робив, ієзуїти старанно вчили німецьку, але не правили нею тощо), а от катедра за своїм статусом собі такого дозволити не могла.

Катедра до наших часів зберегла чимало старих і цінних надгробків. Найціннішими з них ще в ХІХ столітті вважалися надгробок Кросновського в каплиці Найсвятішого Сакраменту, а також плити з іменами родини Кампіанів - в каплиці їх же, Кампіанів, імені.

В радянські часи костел продовжував діяти. Я чудово пам'ятаю, яке величезне враження на мене справила меса, яку я відвідала тут дитиною восени 1986 р. Це було перше католицьке богослужіння, яке я бачила в своєму житті (кам'янецька катедра була в ті роки музеєм релігії і атеїзму). Поважні чоловіки в білих шатах і з якимись чи то прапорами, чи то транспарантами здивували - ну дорослі ж дядьки, що вони як на дитячому святі себе поводять? А самі розписи і вівтарі собору видалися надзвичайно розкішними. Я з сумом визнала для себе, що наша катедра львівській катедрі таки програє. :о) Ще раз я підтвердила цей факт для себе в 1993 р. Потім в 2001-му. далі заходила до головної католицької святині Львова з вже зацементованими враженням - і з рідними костелами не порівнювала. :о)

2 березня 1991 р., вперше за 58 років, у львівській катедрі було проведено єпископське свячення. Костел був відремонтований у 1999-2001 рр. 25 червня 2001 р. храм відвідав Папа римський Іван-Павло ІІ. На честь понтифіка на стіні будівлі 25 червня 2003 р. встановлена меморіальна плита.

Неподалік з катедрою розташована пізньоренесансна каплиця Боїмів (1609-1615, ймовірний архітектор А. Бремер), що теж тісно пов’язана з головною католицькою святинею Львова. Будівля вражає: неначе традиційну каплицю вивернули, і іконостас опинився назовні: фасад вкритий прегарною різьбою, двері стережуть леви з кляпами кілець в мордах, а на даху сидить зажурений Христос. Інтер'єр продовжує розпочату західним фасадом лінію: кесони на куполі, велемовні епітафії, крилаті ангельські голівки, розп'яття, фігури і фігурки — талант майстрі початку XVII ст. вражає й тепер. Скульптурним декором, що зберігся до наших часів майже без змін, ймовірно, займались майстри Я.Пфістер, Г.Штольц, Я.Білий та С.Чешек. Нижній ярус різьблення, який створив невідомий майстер, більш простий. Середина східної стіни, виконана Г. Штольцем, є набагато експресивнішою, а до куполу приклався різець відомого майстра того часу Я. Пфістера. Два сімейних портрети на західній стіні — залишки фамільної галереї Боїмів. На південній стіні збереглися дві різьблені епітафії роботи Пфістера. Каплиця була реставрована в 1927 р.