Avant la Révolution française, Cambrai est une métropole religieuse comprenant une douzaine de paroisses et de nombreuses abbayes. Son diocèse s'étend sur la rive droite de l'Escaut. Sa cathédrale gothique est qualifiée d'une des sept merveilles des Pays-Bas par la beauté de sa flèche qui culmine à 110 mètres de haut. Malheureusement, elle est détruite à la Révolution française. En 1804, cette église, qui appartenait autrefois à l'abbaye du Saint-Sépulcre, la remplace. Cette abbaye bénédictine, fondée au XIe siècle par saint Liébert, rayonnait autrefois jusqu'aux fortifications. Seules l'église et l'hostellerie, aujourd'hui la Poste, ont été épargnées.
L'église reconstruite à la fin du XVIIe siècle, sous l'épiscopat de Fénelon, offre une façade d'ordres superposés de style classique qui a été remaniée après l'incendie de 1859. Son décor présente, au niveau de la frise, des éléments évoquant la Passion du Christ. La sobriété de cette façade contraste avec celle de la Chapelle des Jésuites qui lui fait face. Le clocher latéral, reconstruit en 1876, est sommé de la Vierge protectrice du diocèse. On remarque la présence des quatre évangélistes sous la forme de tétramorphes : l'aigle de saint Jean, le taureau de saint Luc, le lion de saint Marc et l'ange de saint Mathieu. A l'intérieur de cette église, très représentative de l'architecture religieuse de Louis XIV, on peut admirer des peintures en trompe-l’oeil, réalisées par Martin Geeraerts au milieu du XVIIIe siècle ; le tombeau de Fénelon, oeuvre de David d'Angers et l'icône Notre-Dame de Grâce.