В 1891 году во Владивостоке возвели первую деревянную католическую церковь Рождества Пресвятой Девы Марии, но через 11 лет она сгорела. Хотя богослужения продолжились во временном молельном доме, приход нуждался в новом храме. Каменное неоготическое здание начали строить в 1908 году, работы продолжались до 1921-го. Два года спустя церковь получила статус кафедрального собора Владивостокской епархии.
С приходом советской власти храм перестал быть духовным центром и превратился в помещение для государственного архива Приморского края. Лишь в 1993 году здание вернули возрождённому католическому приходу. Началась крупномасштабная реконструкция: обновили крышу и фасады, отстроили колокольные башни и шпили, восстановили часовню и колонны. В церкви появились многоцветные витражи с сюжетами из жизни Пресвятой Девы Марии, созданные белорусскими мастерами, а также четыре больших колокола из Польши, благословленные Папой Римским Иоанном Павлом II.
В 1995 году в храм привезли концертный электроорган фирмы «Роджерс», а год спустя состоялся первый на Дальнем Востоке концерт органной музыки. С 2015 года здесь установлен новый духовой орган с механической трактурой, которые спроектировали и построили на Филиппинах специально для владивостокского костела.
В наши дни в храме регулярно проводят богослужения и праздничные мессы, а также устраивают концерты, лекции и молодёжные конференции.