Dynamiczny rozwój Radomia w XIX w. spowodował znaczny wzrost liczby mieszkańców i wywołał tym samym potrzebę budowy nowych świątyń. Bp Michał Juszyński zwrócił się więc z prośbą do władz rosyjskich o pozwolenie na budowę nowego kościoła. Pierwszy projekt przygotował w 1876 r. arch. Antoni Kacper Wąsowski z Radomia. Utworzony Komitet Obywatelski rozpoczął przygotowania do realizacji zamierzenia.
W 1895 r. Józefa Łącka zakupiła plac od Antoniego Nowakowskiego z przeznaczeniem pod świątynię. Nowy, przyjęty projekt wykonał w 1896 r. arch. Józef Dziekoński z Warszawy, wybitny przedstawiciel historyzmu w architekturze polskiej. Projekt nawiązywał do kościoła św. Floriana w Warszawie, ale sam autor oceniał go jako dzieło lepsze. Zatwierdzenie rządowe nadeszło w 1898 r. Znaczną rolę w staraniach o jego uzyskanie, a potem w rozpoczęciu budowy odegrał ks. Stanisław Puławski, pracujący wtedy przy kościele pobernardyńskim. Fundamenty zaczęto kopać wiosną 1899 r., a 19 IX tego roku poświęcił je bp Antoni Ksawery Sotkiewicz. Pierwszą Mszę św. na polowym ołtarzu przed budującym się kościołem sprawował podczas misji parafialnych w 1906 r. późniejszy biskup sandomierski ks. Marian Ryx. Poświęcenia kościoła wybudowanego w stanie surowym dokonał 22 XI 1908 r. ks. Piotr Górski, proboszcz parafii pw. św. Jana w Radomiu i dziekan dekanatu. W 1909 r. otynkowano nawę główną i transept, a także zamontowano ołtarz główny. Do 1911 r. kościół był wybudowany w stanie surowym. Przez 13 lat był kościołem filialnym par. pw. św. Jana w Radomiu. Parafia pw. Opieki NMP została erygowana 28 IV 1921 r. przez bp. Mariana Ryxa. W 1929 r. pokryto dach nową blachą, a wieże blachą miedzianą. Kościół był dedykowany 11 VI 1962 r. przez sługę Bożego bp. Piotra Gołębiowskiego. W latach 1982–1989, staraniem ks. Wojciecha Staromłyńskiego i ks. Mariana Cukrowskiego, przeprowadzono gruntowny remont kościoła. Świątynia zbudowana jest w stylu neogotyckim. Jest to kościół bazylikowy, trójnawowy z transeptem. W fasadzie ma dwie wieże, wzorowane na wyższej wieży kościoła Mariackiego w Krakowie, o wysokości ok. 72 m. Na wieżach w latach 1998– –1999 umocowano odnowione złocone korony. Nawy boczne wsparte zostały na wysokich, zdobionych kolumnach. Sklepienia są typu krzyżowego. Duże okna są ostrołukowe z witrażami. Od frontonu troje drzwi z profilowanymi portalami w stylu neogotyckim nawiązują do stylu katedr francuskich.
W latach 1921–1929 proboszczem parafii był bł. ks. Kazimierz Sykulski, a w latach międzywojennych z kościołem pw. Opieki NMP związani byli jako prefekci bł. ks. Stefan Grelewski, bł. ks. Kazimierz Grelewski i bł. ks. Bolesław Strzelecki. Trzykrotnie – w latach 1966, 1968 i 1972 – uroczystościom przewodniczył sługa Boży Stefan kard. Wyszyński. W 1972 r. Mszy Świętej na rozpoczęcie Nawiedzenia Kopii Obrazu Matki Bożej Częstochowskiej przewodniczył Karol kard. Wojtyła, a kazanie wygłosił Stefan kard. Wyszyński. Wtedy też obraz po latach „uwięzienia” przez władze komunistyczne powrócił na szlak Nawiedzenia. 3 X 1981 r., z okazji rozpoczęcia obchodów 500-lecia pobytu św. Kazimierza w Radomiu, bp Bronisław Dąbrowski ogłosił decyzję Jana Pawła II o przemianowaniu nazwy diecezji na sandomiersko-radomską, a kościół pw. Opieki NMP otrzymał tytuł konkatedry. 16 VI 1984 r. przed świątynią sprawowali Mszę św. ku czci św. Kazimierza – z okazji pięćsetnej rocznicy jego śmierci – biskupi polscy zgromadzeni w Radomiu na 201. Konferencji Plenarnej Episkopatu Polski.
Bp Edward Materski erygował 25 VI 1986 r. kapitułę konkatedralną św. Kazimierza.
4 VI 1991 r. radomską konkatedrę nawiedził papież Jan Paweł II, modlił się w niej i pobłogosławił epitafium sługi Bożego bp. Piotra Gołębiowskiego.
Na mocy bulli Jana Pawła II „Totus Tuus Poloniae Populus” z 25 III 1992 r. powołano do istnienia diecezję radomską, a dotychczasowy kościół konkatedralny stał się katedrą nowej diecezji. Od 9 III 2003 r. w katedrze trwa wieczysta adoracja Najświętszego Sakramentu.
Świątynia ta była świadkiem wielu ważnych uroczystości kościelnych i patriotycznych. Tutaj też złożono doczesne szczątki tragicznie zmarłego bp. Jana Chrapka oraz zmarłego abp. Zygmunta Zimowskiego. W kościele tym pięciokrotnie udzielano sakry biskupiej: 12 V 1985 r. otrzymał ją bp Adam Odzimek, 8 V 1987 r. bp Marian Zimałek, 11 IV 1992 r. bp Stefan Siczek. Tym uroczystościom przewodniczył Józef kard. Glemp, Prymas Polski. 25 V 2002 r. sakrę biskupią w katedrze przyjął bp Zygmunt Zimowski. Głównym konsekratorem był Joseph kard. Ratzinger, późniejszy papież Benedykt XVI. 28 II 2015 r. sakrę biskupią przyjął bp Piotr Turzyński. W latach 2007–2013 zostały przeprowadzone kompleksowe prace konserwatorskie świątyni staraniem ks. Edwarda Poniewierskiego, parafian oraz z pomocą środków zewnętrznych. W 2014 r. przy kościele zostało otwarte Muzeum Katedralne.
Msze Święte:
Niedziela: 6.00, 7.00, 8.00, 9.30, 11.00, 12.30, 13.30, 18.00, 20.00.
Dni Powszednie: 6.00, 6.30, 7.00, 7.30, 8.00, 18.00
