Katedrę pod wezwaniem Opieki Najświętszej Maryi Panny, zwaną też kościołem mariackim, zaprojektował w 1896 r. Józef Pius Dziekoński, który wcześniej stworzył projekt bardzo podobnego kościoła pw. św. Floriana na warszawskiej Pradze. Kościół ten przypadł do gustu radomskim fundatorom. W 1899 r. miało miejsce poświęcenie kamienia węgielnego. Prace budowlane trwały do 1908 r., ale wnętrze nie było wykończone do 1918 r. Trzy lata później przy kościele erygowano parafię. 11 czerwca 1962 r. nastąpiła konsekracja kościoła przez Sługę Bożego, ks. bp. Piotra Gołębiowskiego. 3 października 1981 r. św. Jan Paweł II podniósł kościół do rangi konkatedry diecezji sandomiersko-radomskiej, a w roku 1992 - do rangi katedry diecezji radomskiej.

Od 1981 r. teren dzisiejszej diecezji radomskiej wchodził w skład diecezji sandomiersko-radomskiej. 25 marca 1992 r. św. Jan Paweł II wydał bullę Totus Tuus Poloniae Populus, na mocy której wprowadzono nowy podział administracyjny Kościoła w Polsce. Z dawnego terytorium diecezji sandomiersko-radomskiej wyodrębniono diecezję radomską ze stolicą w Radomiu. Jej pierwszym ordynariuszem został bp Edward Materski. Obecnie ordynariuszem tej diecezji jest biskup Henryk Tomasik. Pomaga mu biskup Adam Odzimek. Patronem diecezji jest św. Kazimierz królewicz. Z terenu tej diecezji pochodzą bł. Władysław z Gielniowa, patron Warszawy, oraz błogosławieni księża-męczennicy II wojny światowej: Kazimierz Sykulski (pierwszy proboszcz katedry radomskiej), Stefan i Kazimierz Grzelewscy, Franciszek Rosłaniec i Bolesław Strzelecki.
Diecezję zamieszkuje ok. 920 tys. osób, w tym ok. 910 tys. katolików. W skład 28 dekanatów wchodzi 300 parafii, w których pracuje ponad 750 kapłanów diecezjalnych i ok. 80 zakonnych.

W 1991 r. teren diecezji nawiedził św. Jan Paweł II. Odprawił Mszę św. na lotnisku wojskowym i poświęcił budynek Wyższego Seminarium Duchownego. Papież mówił wtedy m.in.:

Jest tu potężny wiatr. Muszę powiedzieć, że tym razem wiatr towarzyszy mi od pierwszego momentu przybycia na ziemię polską nad Bałtykiem w Koszalinie. Wiatr od morza. I ten wiatr powraca na różnych etapach. Można by nawiązać do starego powiedzenia: papież rzuca słowa na wiatr. Istotnie, rzuca słowa na wiatr! Bo wierzy w wiatr. Wierzy w taki potężny wiatr, który kiedyś wstrząsnął ścianami wieczernika w Jerozolimie. W tym wietrze wyraziło się przez siłę natury tchnienie Ducha Świętego. Papież wierzy w wiatr, w ten z wieczernika, w ten z Pięćdziesiątnicy. Wierzy, że słowa rzucane na ten polski wiatr nie zostaną poniesione w niewiadomym kierunku, tylko pójdą tak, jak to słowo Boże, które z wieczernika na wszystkie krańce ziemi pchnął potężny wiatr Ducha Świętego. Przecież Słowo Wcielone, Chrystus, odszedł z tego świata i wszystko, co nam przyniósł w swym nauczaniu i w swym mesjańskim czynie, to wszystko rzucił na wiatr, rzucił na ten wiatr Pięćdziesiątnicy i mocą tego wiatru trwa Słowo Wcielone, Słowo Ewangelii, i przynosi owoce.