La paroisse Sainte-Cécile fut érigée canoniquement le 3 mai 1912. Le patronyme de Sainte-Cécile fut choisi à la demande du premier curé, J.-Auguste Lelaidier, qui avait une grande dévotion pour sainte Cécile, morte martyrisée à Rome en 217.
Une assemblée de paroisse, tenue le 24 novembre suivant, approuva une dépense de 140 000$ pour l'achat des terrains nécessaires ainsi que pour la construction en pierre de l'église paroissiale, rue des Commissaires, et du presbytère, rue Saint-Paul. Les architectes Viau et Vennes préparèrent les plans, après quoi l'entrepreneur général Anselme Dubé commença les travaux le 14 septembre 1913, jour de la bénédiction de la pierre angulaire par l'évêque de Trois-Rivières, Mgr François-Xavier Cloutier. Peu après, le contremaître J.-Arthur Gagnon, l'entrepreneur en maçonnerie F.-X. Nobert et l'entrepreneur en électricité A. Olivier étaient aussi à l'œuvre. Le terrain très instable rendit difficile la construction des assises des piliers qui devaient supporter l'église. D'anciens paroissiens racontent aujourd'hui (1998) qu'il y aurait "plus de ciment dans le sol qu'à l'extérieur"!
L'édifice construit, incluant la sacristie, avait 185 pieds de longueur, 114 de largeur au transept et 40 de hauteur des lambourdes à la voûte. De style roman, son architecture était plutôt avant-gardiste pour l'époque puisqu'aucune colonne n'était prévue. Quant au presbytère, aussi en pierre et avec étage, il avait 40 pieds de façade, 50 de largeur et 30 de hauteur. Son intérieur était divisé en 24 pièces.
L'église fut finalement inaugurée le 12 juillet 1914 par l'administrateur du diocèse, Mgr Hermyle Baril, en l'absence de l'évêque qui était en voyage ad limina à Rome. Puis, le 8 novembre suivant, le père franciscain Thomas-Marie Denis y fit ériger un chemin de la croix qui fut remplacé vers 1960.
Mais l'église n'était pas achevée et beaucoup d'autres dépenses étaient à venir. Ainsi, en février 1923, on fit l'acquisition d'un orgue Casavant de 31 jeux répartis sur trois claviers, pour remplacer l'harmonium Karn acheté chez C. Robitaille de Québec, le 25 juin 1914. Puis, en 1928, on confia les travaux de décoration intérieure à l'artiste François-Xavier Renaud de Montréal. Plusieurs verrières furent installées: "Jésus bénissant des enfants", "Pie X donnant la communion aux enfants", "La sainte Famille", "Notre-Dame de Lourdes", ainsi que deux rosaces, représentant "Sainte Cécile" et "Les saints Martyrs canadiens", et diverses peintures dont quatre représentant des évangélistes.
Peu après, en 1930, l'entrepreneur Arthur Provencher fut chargé de construire une annexe au presbytère, pour l'usage des ménagères. En 1945, l'entrepreneur-plombier Liguori Villemure se vit confier la réfection en feuilles de cuivre des toitures. Puis, trois ans plus tard, Adrien Demontigny remplaça les portiques latéraux en bois par de nouveaux en pierre et aménagea une annexe à la sacristie pour l'usage des enfants de chœur.
D'autres travaux majeurs furent réalisés ultérieurement à l'église et au presbytère: réfection des planchers en béton armé, réfection des gradins du jubé, de la galerie du presbytère, décoration de marbre; installation, par Casavant et Frères, de Saint-Hyacinthe, de 247 nouveaux bancs et de nouveaux confessionnaux; construction d'un passage couvert entre l'église et le presbytère; érection d'un nouveau maître-autel, d'un autel latéral, d'une chaire et d'une table de communion en marbre, par la firme Barsetti et Frères, de Québec; aménagement d'une place d'accueil à l'arrière de l'église; transformation de la sacristie en salle communautaire, etc.
Parmi les œuvres d'art contenues dans l'église Sainte-Cécile, on retrouve, outre les verrières, une statue de saint François-Xavier offerte par les paroissiens en mars 1917, trois autres statues de sainte Thérèse de l'Enfant-Jésus, du Sacré-Cœur et de saint Joseph, un grand crucifix érigé en novembre 1927, ainsi que diverses peintures.
Le 20 décembre 1914, l'évêque de Trois-Rivières, Mgr François-Xavier Cloutier, bénit un carillon de trois cloches achetées chez Arthur Beaudoin, importateur de Trois-Rivières, pour l'église Sainte-Cécile de Trois-Rivières.
