Voir aussi Vitraux de la cathédrale, Cloches de la cathédrale, Paroisse Immaculée-Conception-de-la-Sainte-Vierge
En juillet 1881, Mgr Laflèche fit commencer les travaux pour l'ajout du troisième étage à la tour du clocher de la cathédrale L'Assomption de Trois-Rivières et l'installation d'un cadran (depuis 23 ans, la tour était recouverte d'un simple toit en forme de diamant). Afin de réduire les frais, le clocher fut bâti moins élancé que prévu dans les plans de Victor Bourgeau. En 1890, Rousseau et Decelles, de Saint-Hyacinthe, réalisèrent la décoration intérieure de la cathédrale et on installa l'électricité.
Puis, le 1er février 1904 commencèrent les travaux d'agrandissement et de parachèvement, selon des plans de l'architecte Georges-Émile Tanguay: le second jubé fut enlevé, et l'on construisit un nouveau maître-autel et les chapelles entourant le chœur. L'une d'elles fut nommée Saint-Thomas pour rappeler la mémoire de Mgr Cooke dont la dépouille mortelle était inhumée depuis 1870 dans la crypte devant l'autel de la chapelle. La flèche du clocher fut également haussée suivant un plan de l'architecte Jean-Baptiste Bourgeois et d'après le plan original de Victor Bourgeau: s'élevant à 268 pieds, elle fut illuminée à partir de 1934. L'ensemble des travaux fut terminé en 1905. Avec sa nouvelle sacristie, la cathédrale mesurait alors 306 pieds de longueur sur 112 pieds de largeur vis-à-vis des portiques latéraux.
Le 1er novembre de la même année (1905) eut lieu la bénédiction d'un nouvel orgue Casavant; cet orgue fut augmenté en 1912 et la compagnie Casavant installa un petit orgue dans le sanctuaire, près du chœur. Puis, en janvier 1922, le vieux cadran du clocher fut remplacé par une horloge mécanique qui fut elle-même remplacée par une horloge électrique lumineuse en 1951.
En 1923, le troisième évêque de Trois-Rivières, Mgr François-Xavier Cloutier, commanda des verrières pour compléter la décoration de la cathédrale et mettre en relief la très grande dévotion mariale. Deux ans plus tard, l'artiste italien Guido Nincheri, diplômé de l'École des beaux-arts de Florence et établi à Montréal depuis peu, commença l'exécution de magnifiques œuvres illustrant "Les litanies de Lorette" dans leur quasi-totalité, soit 38 invocations (deux par verrière) sur 49. Ces verrières, qu'on classera parmi les plus belles au pays, furent installées en 1935 et 1954-1955, sauf celle du jubé, ajoutée en 1967.
En 1948 et 1949, le sixième évêque du diocèse de Trois-Rivières, Mgr Georges-Léon Pelletier, fit exécuter des travaux de restauration extérieure. Les lucarnes de la toiture furent enlevées et celle-ci reçurent un nouveau recouvrement en cuivre: les vitraux des galeries, au-dessus de la nef, furent alors plongés en permanence dans la pénombre. Le 1er août 1949, durant des travaux, on remplaça également la pierre angulaire qui renfermait, encore intacts, les documents déposés par Mgr Cooke en 1854. L'opération, appelée "mise à jour de la pierre angulaire", se déroula en présence de Mgr Paul-Émile Doyon, vicaire général.
