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Les travaux sur une nouvelle église commence en 1872. Le Père Jouvent, de la paroisse St. Columbkille, avait fait ériger un édifice dont l’intérieur n’était pas complété en 1874. Son successeur a été le Père Rémi Fauré en 1875. À cette époque il n’y a pas de presbytère, le curé demeure dans des chambres louées. En 1878, la paroisse comprend 250 familles, et le premier Hôpital général est aménagé dans le vieux couvent dans la Basse Ville.

Le 11 juillet 1882, le Vicariat apostolique du Pontiac voit le jour. C’est un immense territoire s’étirant au nord jusqu’à la Baie James, longeant les frontières des diocèses de Kingston et de Peterborough. En raison de sa situation géographique, Pembroke étant situé sur la route missionnaire principale, et puisque la paroisse St. Columbkille est la plus grande, Monseigneur Narcisse Zéphirin Lorrain, nouvel évêque, choisit cette paroisse comme sa paroisse temporaire et y base ces travaux apostoliques.

En 1885 commence les travaux de construction de l’évêché à côté de l’église, qui sera terminé en 1887. Suite à cela, le sanctuaire de la cathédrale est agrandi et refait, deux nouveaux autels latéraux sont ajoutés (à la Vierge Marie et à Saint Joseph), une grande sacristie est bâtie, Le  sous-sol de l’église est refait pour être utilisé comme salle paroissiale et un sous-sol à la sacristie pour les servants de messe. Le 31 décembre 1890, la décoration intérieure est complétée.

Avec la cathédrale devenue le centre de la communauté en 1914, le recteur, le Père Patrick S. Dowdall, a comme premier projet de moderniser le sous-sol de la cathédrale en centre paroissial. Le projet comprend l’installation d’un nouvel éclairage, système de chauffage, salles de réunions et bureaux pour les différents groupes paroissiaux. L’année 1914 marque le décès du bien-aimé Monseigneur Lorrain dont la dépouille est inhumée dans la crypte de la cathédrale.

En 1940, durant la Deuxième guerre mondiale, le recteur, le Père Clarke, prépare des plans pour la rénovation de l’évêché. Une fois les rénovations sur l’évêché terminées, le Père Clarke entreprend l’élaboration des plans de rénovations pour la cathédrale avec M. Alphonse Martineau. Les travaux commencent en mai 1952. Une partie des murs latéraux est ouverte pour faire l’ajout de transepts, ceux-ci donnent accès aux sacristies supérieure et inférieure pour faciliter les processions à l’église, ainsi qu’un accès à la salle paroissiale. Les autels, la sainte table, le trône épiscopal et le sanctuaire à Notre Dame du Perpétuel Secours sont rénovés de chêne sculpté qui se mêle à l’architecture.  L’entrée principale est modifiée quelque peu pour donner plus d’espace dans le vestibule. Les murs de soutien du clocher et des entrées latérales sont ouverts pour faciliter les déplacements. Un baptistère est aménagé adjacent au vestibule. La chaire et son escalier sont construits par Messmer et un système de son efficace est installé dans les années 50. L’orgue est aussi rénové.

En 1965, un nouveau centre diocésain est ajouté au presbytère de la cathédrale et aux bureaux de la chancellerie. Le nouvel édifice communique avec deux étages de l’édifice existant. Ce nouvel édifice est bâti pour accueillir les nouveaux bureaux nécessaires à la mise en œuvre des décrets du Concile Vatican II. Le rez-de-chaussée abrite les bureaux de l’évêque, de la chancellerie, de l’apostolat des laïcs, de l’éducation religieuse ainsi qu’une salle de réunion pour les Consulteurs diocésains, le Conseil des prêtres et les besoins spéciaux. L’étage abrite une chapelle privée, les appartements de Monseigneur Smith, ceux de Monseigneur Windle, ainsi qu’une chambre pour visiteur. L’édifice est construit par M. Sullivan Construction Company, d’Arnprior.

Après Vatican II, la cathédrale est aussi rénovée par Gerry Barink Construction pour agrandir le sanctuaire. Le trône épiscopal qui était à la gauche est déplacé vers le centre du sanctuaire où était le maître-autel. Un nouvel autel est placé dans le sanctuaire pour que le célébrant puisse faire face à l’assemblée lors des célébrations liturgiques. L’ancienne chaire et son escalier sont enlevés, de même que la sainte table. Un autel avec tabernacle est installé à la gauche avec un baldaquin. L’espace devant l’autre autel latéral est transformé en baptistère. Un nouvel éclairage est installé dans la nef et dans le sanctuaire, et l’église toute entière est finie de tapis. Les bancs sont refais. Les murs sont repeints blanc cassé par M. Guy Perrier et associés de Vanier, Ontario. À la célébration de ces jubilés, l’église cathédrale est re-dédiée par Monseigneur Smith lors d’une liturgie spéciale.

En 1981, la cathédrale a été repeinturée et re-décorée. Par contre, aucune rénovation n’a été nécessaire.

En préparation au Grand Jubilé de l’an 2000, Mgr Brendan O’Brien et le recteur de la cathédrale, le Père Patrick Tait, commandent une nouvelle décoration de la cathédrale. Un nouveau tapis est installé, et le plancher des places d’honneur, telles qu’à l’autel de célébration, est fini de tuiles de marbre. La peinture est refaite, et avec les nouvelles technologies émergentes, une tapisserie spéciale est imprimée et installé pour redonner à la décoration son héritage irlandais.

Quelques années plus tard, sous l’inspiration et la direction de Mgr Richard Smith, de nouveaux et plus dignes fonds baptismaux sont installés à l’entrée de la nef. À la même époque, une statue de cinq pieds de Saint Columbkille, le saint patron, est faite sur commande et installée à un endroit d’honneur à l’avant de l’église.

En 2019, le dernier des principaux vitraux a été réinstallé après un travail exhaustif de plusieurs années pour leur restauration. La même année, l’orgue de la cathédrale a été rénovée et mise à jour avec un système électronique moderne. Finalement, l’asphalte du stationnement a été refaite.