Кафедральный собор непорочного зачатия Пресвятой Девы Марии — третий католический храм, действовавший в Москве до революции 1917 года. Два остальных: на Малой Лубянке — костёл Святого Людовика Французского и в Милютинском переулке — Святых Апостолов Петра и Павла. К концу XIX века численность католиков в Москве достигла 30000 человек, и принадлежавшая им небольшая церковь Святых Апостолов Петра и Павла уже не вмещала всех прихожан.
В 1894 году было принято решение построить для московских католиков ещё один храм. После получения разрешения властей на строительство «филиального» храма приходской комитет в Милютинском переулке начал сбор средств. Деньги собрали поляки, проживавшие по всей Российской Империи и за рубежом, в том числе — рабочие ткацких фабрик, железнодорожники, строители Транссибирской магистрали, сосланные в Сибирь, на Дальний Восток и Азию, а также многие католики иных национальностей, включая русских.
В архивах Москвы (ЦГИА г. Москвы) и Петербурга (ЦГИА СССР) сохранились документы, рассказывающих о деятельности строительного комитета, в том числе Акт покупки за 10000 рублей золотом десяти гектаров земли для нового храма в районе Малой Грузинской улицы и ведомости сбора пожертвований, где записаны все дарители независимо от величины взноса.
Неоготический собор в Москве самый большой католический собор в России, кафедральный собор архиепархии Матери Божией, возглавляемой архиепископом митрополитом Паоло Пецци. Один из двух действующих католических храмов Москвы наряду с храмом святого Людовика Французского (кроме двух храмов в Москве существует также католическая часовня святой Ольги).
Проект храма разработал прихожанин церкви Святых Апостолов Петра и Павла известный московский архитектор Фома Иосифович Богданович-Дворжецкий, преподаватель Московского училища живописи, ваяния и зодчества, и архитектор Л. Ф. Даукша. Здание было спроектировано в готическом стиле. Прообразом фасада послужил готический собор в Вестминстере (Англия).
Костёл непорочного зачатия Пресвятой Девы Марии строили в 1901—1911 гг. В декабре 1911 года состоялось торжественное открытие новой церкви. Строительство обошлось в 300000 рублей золотом. Дополнительные суммы были собраны в 1911—1917 годах на отделку и приобретение церковного инвентаря.
В 1938 году храм был закрыт, церковное имущество разграблено, а внутри было организовано общежитие. Во время войны здание пострадало от бомбардировок, были уничтожены несколько башенок и шпилей. В 1956 году в храме расположился НИИ «Мосспецпромпроект». Была произведена перепланировка здания, полностью изменившая интерьер церкви, в частности, основной объём внутреннего пространства был поделён на 4 этажа.
В 1976 году московские власти планировали передачу здания Храма Главному управлению культуры. Разработали проект его реконструкции под зал органной музыки. Но идея не была реализована из-за сопротивления расположившихся в Церкви организаций.
В 1989 году московские католики и культурная ассоциация «Дом Польский», объединяющая московских поляков, заявили о необходимости возвращения Храма его естественному и законному владельцу — католикам и их Римско-католической Церкви.
В январе 1990 года группой московских католиков был учреждён приход Непорочного зачатия Пресвятой Девы Марии, но ещё 8 декабря священник Тадеуш Пикус отслужил первую разрешённую властями Святую мессу на ступенях Церкви. На мессе присутствовало несколько сот человек.
21 апреля 1991 года архиепископ Тадеуш Кондрусевич, Апостольский Администратор для католиков латинского обряда Европейской части, издал декрет о восстановлении католического прихода Непорочного зачатия Пресвятой Девы Марии при одноимённой Церкви на Малой Грузинской улице в Москве.
31 мая 1991 года устав Прихода был официально зарегистрирован Управлением юстиции Моссовета. С 7 июня 1991 г. каждое воскресенье во дворе Храма стали проходить Святые мессы.
С 29 ноября 1991 года в Храме служат сёстры-салезианки, которые проводят катехизацию, преподают основы Христианства. Одновременно началась благотворительная деятельность, в частности помощь больным и нуждающимся. В 1993—1995. в помещениях Церкви располагалась католическая Высшая Духовная Семинария — Мария Царица Апостолов.
1 февраля 1992 года было подписано решение мэром Москвы Ю. М. Лужковым о постепенном, в течение двух лет, освобождении Храма под церковные требы. Однако передача Приходу хотя бы нескольких помещений так и не состоялась.
2 июля прихожане вошли в Храм и самостоятельно освободили малую часть помещений. После переговоров с представителями Мэрии отвоёванная часть храма осталась за приходом.
7 и 8 марта 1995 года верующие вторично поднялись на борьбу за возвращение всех остальных помещений Храма. Прихожане поняли, что без решительных действий с их стороны ситуация вряд ли изменится.
7 марта после общей молитвы о возвращении Храма они поднялись на четвёртый этаж и стали выносить хранившуюся там рухлядь. В это время другие прихожане разобрали стену на первом этаже, отделявшую Приход от «Мосспецпромпроекта». 8 марта прихожане продолжили освобождение помещений Храма. Однако вмешалась милиция и ОМОН: люди были изгнаны из Храма, при этом многие получили телесные повреждения, была сильно избита монахиня, арестованы священник и семинарист. 9 марта архиепископ Тадеуш Кондрусевич обратился с открытым письмом к президенту России Б. Н. Ельцину по поводу ситуации вокруг Храма. В результате мэр Москвы Ю. М. Лужков подписал 7 марта 1995 года давно подготовленное постановление о переводе «Мосспецпромпроекта» в новое помещение и передаче Храма верующим к концу года.
Однако не было никаких гарантий, что это решение будет выполнено. Настоятель прихода о. Иосиф Заневский призвал верующих к молитве о возврате Храма и посту. По четвергам и пятницам в Храме стали совершаться поклонения Святым Дарам и молитвенная процессия вокруг Храма по воскресеньям. Наконец 13 января 1996 года объединение «Мосспецпромпроект» выехало из храма. А 2 февраля приход Непорочного зачатия Пресвятой Девы Марии получил документы на вечное пользование Храмом. Основную тяжесть возврата и восстановления Храма с Архиепископом и Настоятелем несли также о. Казимир Шиделко, директор Детского приюта им. Иоанна Боско, и многие прихожане. Окончанием реставрации с августа 1998 года руководил о. Анджей Стецкевич.
Генеральный проект восстановления Храма и авторское сопровождение реставрационных работ принадлежат фирме «PKZ». Проект алтарей, часовни и интерьера в целом разработал профессор Ян Таихман (г. Торунь). Постоянную материальную помощь оказывала фирма «EnergoPol», директор Казимир Вершилло. Все три дарителя из Республики Польша. Орган «Rodgers» подарен католической организацией «Помощь Церкви в России», США. Благодаря пожертвованиям благотворительных организаций и католиков многих стран мира, а также молитвам и бескорыстной помощи прихожан, Храм вновь приобрёл всю свою первозданную красоту.
12 декабря 1999 года Храм был освящен Легатом Папы Иоанна Павла II, Государственным секретарем Ватикана, кардиналом Анджело Содано и стал Кафедральным собором Непорочного зачатия Пресвятой Девы Марии.
13 апреля 2001 года в Соборе торжественно отметили десятилетие восстановления структур Римско-католической Церкви в России.
