Diecezja kijowska w XVII wieku
Wiek XVII - czas wojen kozackich i moskiewskich, to dla diecezji kijowskiej szczególnie ciężkie lata. Zawarty w roku 1686 traktat Grzymułtowskiego ostatecznie przyznał Rosjanom Kijów wraz z ziemią smoleńską, czernihowską, siewierską oraz lewobrzeżną Ukrainą. Diecezja kijowska zawęziła się do obszarów po prawej stronie Dniepru. Pozbawieni katedry, zmuszeni jeszcze przez wojska Chmielnickiego do opuszczenia Kijowa, biskupi katoliccy rezydowali w Lublinie. W liście skierowanym do papieża, biskup Andrzej Chryzostom Załuski (1680-1691) skarżył się, że pod jego rządami pozostała zaledwie dwudziesta część diecezji. Będzie jednak starał się ratować to, co pozostało - wyjednuje u władz Rzeczypospolitej fundusze, sprowadza zakony i rozpoczyna, zakończone niestety niepowodzeniem, starania o budowę katedry w Białej Cerkwi.

Żytomierz stolicą diecezji
Potrzeba nowej katedry była oczywista, ale sprzyjający czas nadszedł dopiero po roku 1711, kiedy to na mocy traktatu pruckiego Rosja zrzekła się pretensji do prawobrzeżnej Ukrainy. Na wyludnione i zniszczone tereny zaczęli powracać dawni mieszkańcy, sprowadzano też osadników z Mazowsza i Małopolski. Odnowienie diecezji kijowskiej (historyczna nazwa pozostała, choć Kijów był w rękach Moskwy), a od 1724 roku kijowsko-czernichowskiej nastąpiło za sprawą biskupa Jana Samuela de Ossa Ożgi (1723-1756), który za jej stolicę obrał Żytomierz.

W Żytomierzu w latach 1724-1725, na miejscu zniszczonego w XV wieku przez Tatarów kościoła Panny Marii, wybudowano drewnianą katedrę, konsekrowaną w 1726 r. Nowa katedra nie była udana - budynek miał wady konstrukcyjne. Około roku 1732 r. biskup Ożga własnym kosztem rozpoczął budowę nowej świątyni - murowanej z cegły, którą konsekrowano w 1746 r. Zasługi tego wybitnego kapłana przypomina zachowana do dziś pamiątkowa tablica. Wkrótce, bo w 1762 r. rozpoczęło także działalność seminarium duchowne.

Żytomierz był miastem leżącym na pograniczu ścierających się kultur i narodowości. Liczne najazdy ze wschodu i południa parokrotnie niemal zrównały miasto z ziemią. Przewaga drewnianej zabudowy narażała miasto na pożary. Jeden z najgroźniejszych, w którym znacznie ucierpiała nowa katedra, miał miejsce w 1768 r., kiedy po ogłoszeniu Konfederacji Barskiej miasto zajęły wojska moskiewskie, paląc je doszczętnie. Bardzo szybko jednak katedra została odbudowana.

Drugi rozbiór Polski w roku 1793 na zawsze odłączył Żytomierz od Polski. Na czele diecezji kijowskiej stał wówczas biskup Kacper Cieciszowski (w latach 1784-1797). Dzieje diecezji kijowskiej zamyka data trzeciego rozbioru. Ostatni jej skrawek - powiaty żytomierski i owrucki zostają połączone z częścią diecezji łuckiej tworząc diecezję łucko-żytomierską. Pozostała część dawnej diecezji kijowskiej została oddana w zarząd arcybiskupa mohylewskiego.

Wiek XIX
Pierwszym biskupem łucko-żytomierskim został wspomniany wcześniej Kacper Cieciszowski ( w latach 1798-1831), który, co prawda, przeniósł się do Łucka, ale to za jego rządów, w 1801 r., przebudowano katedrę w Żytomierzu, którą konsekrowano 30 sierpnia 1805 r.

Około połowy wieku XIX wybudowany został przy katedrze pałac biskupów, a następca Cieciszowskiego, bp Michał Piwnicki (w latach 1831-1845) przeniósł do Żytomierza konsystorz i seminarium duchowne, które pomieściło się w budynkach skasowanego w 1842 r. klasztoru bernardynów. Obecnie w dawnym pałacu biskupim znajduje się Żytomierskie Muzeum Krajoznawcze z kolekcją dzieł sztuki pochodzących w dużej części z dawnych majątków okolicznej szlachty.

Władza sowiecka na Żytomierszczyźnie
W 1917 r. na czele diecezji łucko-żytomierskiej stanął bp. Ignacy Dub-Dubowski. Początek rządów sowieckich na Żytomierszczyźnie to czas wielkiej anarchii i terroru, grabieży i rekwizycji, represji skierowanych także wobec Kościoła. W czerwcu 1919 r. bp. Dubowski zostaje wypędzony z pałacu biskupiego. Nie bez trudu, ponieważ próbują ująć go sowieccy agenci, udaje mu się dotrzeć do Łucka. Przyjedzie jeszcze raz do Żytomierza podczas ofensywy polskich wojsk na Kijów. Gdy jednak w czerwcu 1920 r. front zostanie przerwany przez armię Budionnego opuści miasto na zawsze. Kiedy w wyniku traktatu ryskiego po stronie sowieckiej znalazła się cała diecezja żytomierska, papież Pius XI w 1925 r. ostatecznie rozwiązał jej unię z diecezją łucką. Wkrótce także wszystkie diecezje rzymsko- i greckokatolickie zostały zlikwidowane przez władze Ukraińskiej Socjalistycznej Republiki Sowieckiej.

Stan katedry. Prace konserwatorskie
Katedra w Żytomierzu przetrwała w kształcie architektonicznym nadanym jej ostatecznie na przełomie XIX i XX wieku. Ówczesna niewielka rozbudowa kościoła w duchu neobaroku, autorstwa cenionego architekta Władysława Dąmbrowskiego, nie wpłynęła znacząco na zachowany do dziś zewnętrzny wygląd świątyni. Nie ucierpiał również XIX-wieczny pałac biskupi, mimo próby podpalenia go w 1919 r. Katedra początkowo stała zamknięta, później urządzono w niej muzeum. Skutkiem rządów sowieckich, a także okupacji niemieckiej było jednak zagrabienie lub zniszczenie elementów wystroju wnętrza, obrazów, rzeźb, przedmiotów liturgicznych. Zachowało się na szczęście wiele tablic pamiątkowych poświęconych osobom duchownym i świeckim m.in. epitafium kompozytora i pianisty Juliusza Zarębskiego, ufundowane przez jego rodzinę, wykonane przez znanego rzeźbiarza Andrzeja Pruszyńskiego. Szczególnie cenna jest wspominana już tablica z napisem fundacyjnym z 1746 r., upamiętniającym bpa Ożgę.

16 stycznia 1991 r. papież Jan Paweł II wznowił działalność diecezji rzymskokatolickich na Ukrainie, mianując biskupów we Lwowie, Kamieńcu Podolskim i Żytomierzu.

W 2013 r. zakończone zostały w katedrze św. Zofii prace, których celem było zabezpieczenie świątyni przed wilgocią. Na wniosek Stowarzyszenia „Wspólnota Polska” udzielone zostały dotacje z Programu Ministra Kultury i Dziedzictwa Narodowego „Ochrona polskiego dziedzictwa kulturowego za granicą. Projekt prowadzony był pod kierunkiem dr. inż. Ryszarda Jurkiewicza.