L’antica cronaca di Cuneo cita la chiesetta di Santa Maria immersa “in una foltissima selva” come esistente prima della fondazione della città. Si tratta del priorato benedettino dipendente dall’abbazia di Borgo San Dalmazzo e divenuto sede di cura d’anime fin dal Duecento.
Santa Maria del Bosco fu vivace parrocchia nel cuore della città, come testimonia la presenza di ben 14 altari citati della visita pastorale del 1583: i patronati appartenevano a famiglie nobili e corporazioni di lavoratori come vignaioli, tessitori, calzolai e mugnai.
La riduzione di Cuneo a piazzaforte rischiò di travolgere anche questa chiesa, che fu esposta ai bombardamenti dei frequenti assedi, ma si mantenne comunque molto attiva. Tra 1643 e 1645 il parroco Monsignor Diego Della Chiesa riuscì ad istituire una collegiata di canonici.
Nella notte di Natale del1656 la volta della chiesa crollò rovinosamente: la ricostruzione avvenne in forme grandiose su progetto di Giovenale Boetto: la prima pietra fu posta il 18 marzo 1657, nel 1662 era già officiata e il 25 ottobre 1665 veniva solennemente consacrata. La chiesa superò gli assedi settecenteschi e la chiusura al tempo della rivoluzione francese; con l’abbattimento delle fortificazioni nel 1801 venne a trovarsi nel cuore dello sviluppo urbano. Anche per questo nel 1817, con l’elevazione di Cuneo a sede vescovile, divenne cattedrale. Iniziarono interventi di restauro e abbellimento, con la formazione della cupola su progetto di Stefano Rovere. Tra 1863 e 1866, con la realizzazione della facciata neoclassica progettata da Antonio Bono, la cattedrale fu idealmente raccordata alla vicina grande piazza (oggi piazza Galimberti). Ultimo intervento significativo fu la realizzazione della cripta per i sepolcri dei vescovi nel 1968.