Sobór był czynny w latach 1837−1915. W grudniu 1916 okupacyjne władze niemieckie zwróciły świątynię Kościołowi rzymskokatolickiemu. Arcybiskup Aleksander Kakowski przekazał ją w użytkowanie wojsku. 5 lutego 1919 papież Benedykt XV powołał biskupa Stanisława Galla na biskupa polowego Wojska Polskiego. W latach 1923–1927 przywrócono pierwotną barokową architekturę według projektu prof. Oskara Sosnowskiego. W okresie okupacji kościół należał do niemieckich katolików i ich duszpasterzy.
6 sierpnia 1944, w rocznicę wymarszu Pierwszej Kompanii Kadrowej, po mszy w kościele garnizonowym odbyła się jedyna podczas powstania warszawskiego defilada wojsk powstańczych. Żołnierze batalionu „Gozdawa” przemaszerowali wtedy ulicą Długą od kościoła do pałacu Raczyńskich.
Podczas II wojny światowej kościół uległ zniszczeniu w ok. 40%. Został odbudowany w latach 1946–1960 według projektu Leona Marka Suzina. Następnie został przekazany generalnemu dziekanowi Wojska Polskiego. Władze komunistyczne zlikwidowały ordynariat polowy, toteż katedra była „polowa” tylko z nazwy. 21 stycznia 1991 r. opublikowano bullę nominacyjną biskupa polowego Wojska Polskiego i dekretów Kongregacji do Spraw Biskupów. Przyczyniło się to do powrotu Ordynariatu Polowego.