Mgr Ignace Bourget, le deuxième évêque de Montréal, ordonna la construction d'une nouvelle cathédrale pour remplacer l'ancienne cathédrale Saint-Jacques de Montréal, qui avait été détruite dans le grand incendie de Montréal en 1852.
En 1857, à la faveur d'un séjour à Rome, Mgr Bourget décida de faire de sa future cathédrale une réplique réduite de la basilique Saint-Pierre-de-Rome. L'idée vint de son secrétaire, le chanoine Joseph-Octave Paré. Ce choix scellerait l'attachement et la vénération que Mgr Bourget portait au pape.
À Montréal, ce projet fut accueilli avec enthousiasme, ce qui créa un climat favorable à une campagne de souscription.
Elle fut construite dans l'ouest de la ville d'alors, là où se trouvaient les quartiers cossus, alors que l'ancienne cathédrale était située dans l'est.
Victor Bourgeau, l'architecte initial, estima (avec son collaborateur Alcibiade Leprohon), que la basilique Saint-Pierre était trop difficile à reproduire, même sur une échelle réduite. L'évêque, toujours déterminé à voir son projet se réaliser, envoya alors Fr. Joseph Michaud au Vatican. À ce moment, le Saint-Siège était menacé par les troupes de Victor-Emmanuel II, roi du Piémont, et l'expédition du prêtre vers Rome était une mission secrète. Le but de son voyage était d'étudier secrètement la basilique Saint-Pierre et d'en tracer des plans.
La construction débuta en 1875 et la nouvelle église fut consacrée à saint Jacques en 1894 sous le nom de cathédrale Saint-Jacques, lequel devint également le patron de la paroisse desservie par l'église. À l'époque, c'était la plus grande église du Québec. Benoît XV l'a proclaméebasilique mineure en 1919. En 1955, elle fut reconsacrée à Marie, Reine du Monde par le pape Pie XII, à la demande du cardinal Paul-Émile Léger. Le pape avait proclamé ce titre pour Marie dans son encyclique Ad Cæli Reginam.
Sur la façade de la basilique Saint-Pierre, il y a des statues des douze apôtres, mais ici, le devant de l'église est embelli par les statues des saints patrons de treize paroisses montréalaises qui ont mis en commun leurs biens religieux. L'intérieur, également copié de la basilique Saint-Pierre, inclut un baldaquin à l'échelle de celui de Bernini. Ces dernières années, l'esplanade et le narthex de la cathédrale ont subi d'importantes réparations.
Elle est accessible par la station de métro Bonaventure, au centre-ville.
En 2000, un événement de vandalisme eut lieu lorsqu'un groupe du collectif autonome féministe brûla des croix devant le bâtiment, lança des objets et placarda des affiches à l'intérieur de l'édifice. Aucune accusation ne fut portée contre les membres du groupe.
Le 14 mai 2006, le gouvernement canadien, par l'entremise de sa ministre de l'Environnement, Rona Ambrose dévoilait une plaque confirmant ainsi sa désignation de
