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Em 1651, foi iniciada a construção da igreja que substituiria a primeira capela construída pelos fundadores de Jundiaí, Rafael de Oliveira e Petronilha Antunes. Em 1655, a nova igreja seria dedicada à Sagrada Família, tendo como padroeira Nossa Senhora do Desterro.
Construída em taipa de pilão, possuía tendências arquitetônicas barroco-português. Muito mais tarde, em 1886, seguindo projeto do arquiteto Ramos de Azevedo, a então Igreja de Nossa Senhora do Desterro passa por grande reforma e tem totalmente alterado seu estilo para Neogótico – que tentava resgatar as características do estilo gótico, surgido na França entre os séculos 12 e 14, considerado como “a arte das Catedrais”. Carregado de simbolismo teológico, tal estilo busca expressar a grandiosidade: tudo se volta para o alto, em direção aos céus e a Deus.
Como complemento dessa reforma, em 1921, por sugestão do então vigário, cônego Hygino de Campos, o interior da igreja sofreu novas transformações. Passou a ter abóbadas ogivais, recebeu vitrais e as paredes ganharam belíssimos afrescos do artista plástico italiano Arnaldo Mecozzi. Há poucos registros, mas as indicações são de que a igreja passou por outras transformações. A reforma mais expressiva na década de 50. Bem mais tarde, entre 1997 e 2000, a Catedral sofreu reformas estruturais e foi restaurada integralmente. As obras incluíram a ampliação da Cripta da Catedral onde hoje estão sepultados três de seus quatro bispos – dom Gabriel Paulino Bueno Couto (1º bispo diocesano); dom Roberto Pinarello Almeida (2º) e dom Amaury Castanho (3º).