Vào khoảng đầu thế kỷ XIX, Phan Thiết đã có những cộng đồng giáo dân Công giáo đầu tiên và có ngôi nhà nguyện nhỏ thô sơ làm nơi sinh hoạt tín ngưỡng[2]. Năm 1890, linh mục Labiausse Sáng cho xây dựng thánh đường bằng gạch lợp ngói. Sau năm 1945, linh mục Báu cho xây lại nhà thờ đã bị đốt phá trong thời chiến tranh. Năm 1964, linh mục Victor Caillon Năng cho xây nhà xứ.

Ngày 30 tháng 1 năm 1975, Tòa Thánh thánh thiết lập Giáo phận Phan Thiết (tách ra từ Giáo phận Nha Trang), nhà thờ giáo xứ Phan Thiết được chỉ định làm nhà thờ chính tòa của giáo phận mới này.

Ngày 3 tháng 4 năm 1992, linh mục Giuse Nguyễn Tiến Huynh cùng với giáo phận và giáo xứ khởi công xây nhà thờ chính tòa mới. Nhà thờ được khánh thành vào ngày 15 tháng 8 năm 1993. Sau đó ngôi nhà thờ tiếp tục được các linh mục trùng tu, sửa chữa[3].

Tháng 5 năm 2009 Uỷ ban nhân dân tỉnh Bình Thuận ký quyết định giao lại đất trường Anna cho nhà thờ chính tòa. Ngày 14 tháng 5 năm 2012 Giám mục Giuse Vũ Duy Thống đã tiến hành xây cất nhà mục vụ mới giáo xứ chính tòa.