La Cathédrale est une des œuvres ultimes de l'artiste. Son imposante silhouette se détache sur l'obscurité d'un fond bleu-nuit. La fluidité nouvelle de la pâte et l'allègement de la matière picturale caractérisent son traitement. Le ciel sombre semble avoir été peint d'un seul geste, alors que la masse claire est composée de rectangles et de carrés exécutés en camaïeu de gris et de blancs, séparés par quelques touches de rouge, d'or ou de bleu qui semblent illuminer le bâtiment de l'intérieur. Le plus grand des rectangles reprend en réduction la masse de l'édifice.

Comme de nombreuses peintures de cette époque, le tableau est peint dans une gamme limitée de couleurs, dans une harmonie de gris, noirs, bleus foncés et blancs. Ce chromatisme a pu faire songer à une influence de Vélasquez et de Manet, artistes dont de Staël étudia l'œuvre au cours d'un voyage en Espagne à l'automne 1954.

Selon le témoignage d'un proche de l'artiste, Pierre Lecuire, le tableau aurait été peint à Paris, probablement avant 1955. Il appartiendrait dans sa thématique même aux nombreuses vues de Paris réalisées au cours de l'été 1954. Françoise de Staël quant à elle n'exclut pas qu'après avoir fait un dessin de Notre-Dame de Paris pendant cette période, l'artiste "ait repensé le sujet à Antibes, au-delà des monuments connus, érigeant sa propre Cathédrale imaginaire".