Ancienne chapelle de l’abbaye du Saint-Sépulcre, reconstruite de 1697 à 1702, elle devient la Cathédrale Notre Dame de Grâce en 1804, après la destruction de l’ancienne cathédrale gothique. Gravement endommagée par un incendie en 1889, elle est entièrement rénovée à la fin du 19e siècle.

On peut y admirer le tombeau de Fénelon, surmonté d’une statue de David d’Angers, de magnifiques grisailles en trompe l’œil, œuvre de Martin Geeraert d’Anvers, et surtout une icône byzantine, image de Notre Dame de Grâce particulièrement vénérée à Cambrai.

Son clocher fait partie des symboles de la ville.