Il s'agit de la sixième cathédrale la plus grande au monde, et la deuxième des États-Unis. L'église épiscopale a été achevée après pas moins de 83 ans de travaux, commencés le 29 septembre 1907, et a été inaugurée dans son intégralité en 1990 seulement, par George Bush.
Bien que d'importantes cérémonies furent célébrées dans les années précédant l'inauguration, les chapelles n'avaient pas toutes été achevées. Par ailleurs, la cathédrale a subi de graves dommages causés par un séisme en 2011 et a tout juste été restaurée.
Ce sont quatre architectes qui ont travaillé pour la réaliser. Le projet initial, de style néogothique, est dû à George Frederick Bodley, tandis que le paysagiste Frederick Law Olmsted a dessiné le maître-autel et le chancel. Après la mort de Bodley, en 1907, un de ses collaborateurs effectua quelques modifications au dessin original, mais les travaux furent interrompus lors de la Première guerre mondiale. Lorsqu'ils reprirent, c'est un cabinet d'architectes new-yorkais qui se chargea d'achever l'ouvrage, en respectant l'idée d'origine, ajoutant la troisième tour et agrandissant la grande façade ouest.
Dans la Cathédrale nationale, de nombreuses cérémonies publiques ont été tenues, y compris les funérailles de trois présidents des États-Unis, dont Ronald Reagan, et des services religieux en mémoire de grands personnages comme Neil Armstrong, le premier homme à avoir marché sur la Lune, et le président sud-africain Nelson Mandela.
Franklin Delano Roosevelt, Barack Obama et Donald Trump, entre autres, sont venus prier ici après leur investiture.
C'est au pupitre de cette somptueuse cathédrale que le pasteur Martin Luther King Jr. tint son dernier sermon dominical aux fidèles, le 31 mars 1968, quelques jours avant son assassinat.
Curiosité : Philip Hubert Frohman, le dernier architecte ayant contribué à la conclusion des travaux, était un véritable enfant prodige : il a en effet dessiné sa première maison à 14 ans et s'est diplômé en architecture à 16 ans.