La chiesa venne eretta dai Gesuiti, che stabilitisi in città nel 1594, divennero potenti con l'apertura di un collegio nel 1603 e decisero l'erezione di un grande edificio religioso.
La chiesa venne eretta in stile tardo gotico, con influssi rinascimentali su progetti del gesuita Jean Du Blocq, mentre la direzione dei lavori fu affidata a Ulrich Job da Lucerna. La prima pietra fu posta il 7 maggio 1613 dal rettore del collegio, François Aldenard.
Dopo otto anni di lavori la chiesa era terminata e il 17 ottobre 1621 venne solennemente consacrata dal vescovo ausiliare di Treviri Georg von Helffenstein[1] e dedicata all'Immacolata Concezione.
Negli anni seguenti seguirono continui lavori di abbellimento e ammodernamento, e videro soprattutto la creazione dei prezioso mobilio barocco, fra cui emergono i confessionali e la grande tribuna della cantoria, quest'ultima, riccamente scolpita, è opera di Daniel Muller da Freiberg.
Nel 1773 la Compagnia di Gesù viene soppressa da papa Clemente XIV; il collegio viene mantenuto per poi divenire l'Ateneo di Lussemburgo e sede della Biblioteca Nazionale, mentre la loro chiesa di Lussemburgo viene, nel 1778, elevata a parrocchiale e intitolata ai Santi Nicola e Teresa.[2] Nel 1794 la parrocchiale accoglie la statua miracolosa della Madonna Consolatrice degli afflitti, che si trovava in una cappella fuori le mura e divenuta patrona del Lussemburgo. Tuttavia già nel 1801, cambia dedica, e viene intitolata a San Pietro, ritornerà alla Madonna nel 1848.
In seguito all'indipendenza del Granducato di Lussemburgo del 1867, la parrocchiale viene elevata a cattedrale il 27 settembre 1870 da Papa Pio IX; e un secolo più tardi, nel 1988, diviene arcidiocesi.
Nuovi, imponenti, lavori di ampliamento furono affidati all'architetto Hubert Schumacher tra il 1935 e il 1938. Inoltre il coro venne rifatto nel 1962-63. Alla fine della ristrutturazione la cattedrale venne di nuovo consacrata l'8 dicembre 1963, giorno dell'Immacolata Concezione.
^La precedente chiesa parrocchiale cittadina era dedicata a San Nicola ma fu soppressa e poi demolita a fine Settecento adducendo il fatto che fosse relativamente piccola per la città, la dedicazione a Santa Teresa era un omaggio all'imperatrice María Teresa d'Austria.
