Cette cathédrale a été construite, sur décision du cardinal Tolomeo Gallo et du pape Clément VIII, à partir de 1599 sur les plans de l'architecte Ottaviano Mascherino pour faire face à l'accroissement de la population de la ville qui était devenue trop importante pour l'église paroissiale Santa Maria in Vivario. La construction est financée par un premier apport du Vatican, les dons des paroissiens, et à partir de 1608, par les taxes sur le célèbre vin local. La fin des premiers travaux date de 1610 en raison de problèmes économiques pour trouver les financements nécessaires. Le cardinal Mariano Pierbenedetti décide de parer au plus pressé dans l'année suivante pour pouvoir célébrer la première messe. Le lieu de culte est consacré en 1636.
La façade actuelle, dans le pur style baroque, date de 1696-1700 et est l'œuvre de Girolamo Fontana. Le presbytère est reconstruit en 1703 et les tours latérales à horloges seront ajoutées en 1747. En 1788, à la mort de Charles Édouard Stuart, son frère, le cardinal Henri Benoît Stuart, le fait enterrer dans la cathédrale. À la mort de ce dernier en 1807, le corps de Charles Édouard est transféré auprès de celui de son frère et de son père dans la basilique Saint-Pierre de Rome, sauf son cœur qui est placé dans une urne sous le monument funéraire qui lui est dédié dans la cathédrale. La cathédrale est restaurée en 1857-58.
Durant la Seconde Guerre mondiale, l'intérieur de la cathédrale est totalement détruit par les bombardements du 8 septembre 1943 ne laissant plus ou moins intacts que la façade et les murs latéraux. L'intérieur est entièrement reconstruit en 1949 par le génie civil italien. La façade restructurée en 2002.
La cathédrale abrite le diocèse suburbicaire de Frascati et le titre cardinalice de cardinal-évêque associé, créé au III siècle.