Dnia 14 kwietnia 1891 r. ze względu na prace remontowe katedra została zamknięta dla nabożeństw. W katedrze rozebrano wszystkie ołtarze; stalle, konfesjonały, organy, ławki i inne sprzęty rozmieszczono w kaplicach i zakrystiach. Prace rozpoczęto od wzmocnienia fundamentów pod frontonem katedry i ścianą północną oraz od wzniesienia dwukondygnacyjnej kruchty osłaniającej wejście główne. W przyziemiu wież w 1893 r. przebito dodatkowe otwory wejściowe od zachodu.

Od strony północnej, od wieży do kaplicy Świętego Kazimierza, wzniesiono szereg nowych kaplic dostosowanych szerokością do rozstawu szkarp nawy bocznej oraz nową dwukondygnacyjną kruchtę północną i dwukondygnacyjny składzik przy wieży z klatką schodową dwubocznie występującą przed lico elewacji zachodniej. Na podstawie projektów przygotowanych przez Konstantego Wojciechowskiego przebudowie uległo także miejsce chóru muzycznego, na którym położono nowe belki i zbudowano nową drewnianą balustradę. Zbudowanie nowych organów zlecono w 1892 r. Janowi Spieglowi, organmistrzowi z Rychtalu na Śląsku Niemieckim. Neogotycki prospekt dla nowego instrumentu zamontowanego na emporze chórowej w 1893 r. zaprojektował Konstanty Wojciechowski.

Znacznemu przekształceniu uległy kaplice późnorenesansowe. W kaplicy Matki Bożej obniżono posadzkę, likwidując sklepienie w krypcie. Przy użyciu gipsu uzupełniono ubytki w wapiennych i marmurowych sztukateriach, które następnie marmoryzowano. Kamienny portal wejściowy pokryto warstwą tynku. Na zewnątrz przy obu kaplicach zmieniono elewacje z kamienia ciosowego, wprowadzając oblicowanie z cegły klinkierowej. Przekształceniu uległ także fryz koronujący, który zwieńczono balustradą. Dachy kaplic kopułowych pokryte zostały blachą miedzianą. Gruntownej przebudowie poddano obie zakrystie. Podwyższono ich ściany i od zewnątrz przelicowano je od fundamentów nową cegłą. Ściany zwieńczono arkadkową attyką, odsłonięto i przebudowano łuki odporowe szkarp prezbiterium.

Z prezbiterium usunięty został marmurowy barokowy ołtarz główny oraz osiem obrazów Jakuba Charzyńskiego, które zawieszone były nad stallami. Przebito także nowe ostrołukowe otwory wejściowe komunikujące prezbiterium z zakrystiami w pobliżu łuku tęczowego. Usunięto barokową ambonę przy łuku tęczowym, przeprowadzono konserwację i skrócono do szesnastu miejsc barokowe stalle kanonickie. Zbudowano nowy neogotycki ołtarz główny z mensą z węgierskiego marmuru i drewnianą nastawą ołtarzową wykonaną według projektu Konstantego Wojciechowskiego. Nastawę tę wykonano w Poznaniu w warsztacie Szpetkowskiego z fundacji rodziny Kretkowskich. Ołtarz ustawiono w katedrze w październiku 1895 r.

Wsporniki sklepień prezbiterium wzbogacono kapitelami i baldachimami rozpiętymi nad płytkimi niszami, w których na konsolach ustawiono gipsowe figury świętych wykonane przez warszawskiego rzeźbiarza Hipolita Moraczewskiego, który wykonał także gipsowe figury do rzeźbiarskiej grupy Ukrzyżowania i adorujących aniołów, zaprojektowanej przez Konstantego Wojciechowskiego.

W środkowym oknie zamknięcia prezbiterium umieszczono nowy witraż wyobrażający Koronację Najświętszej Maryi Panny, zaprojektowany przez Józefa Simmlera, a wykonany w zakładzie Świętego Łukasza hrabiny Marii Łubieńskiej. W oknach bocznych zamknięcia umieszczono natomiast ułożone parami kwatery średniowiecznego witraża uzupełnione szybami ozdobionymi gwiazdami, które również wykonano w warszawskim warsztacie hrabiny Łubieńskiej.

We wnętrzu korpusu wyrównano arkady międzynawowe, położono nowe, grube tynki ścian i sklepień oraz przekształcono służki sklepienia nawy głównej, wzbogacając je o wsporniki w kształcie głów. Na ścianach i filarach rozmieszczono niektóre z płyt nagrobnych wyjętych z posadzki. Krzyż Tumski usunięto spod łuku tęczowego i przeniesiono go na zamknięcie nawy północnej. Z korpusu nawowego usunięto wszystkie ołtarze boczne. Starą posadzkę, silnie zniszczoną rusztowaniami ustawionymi w czasie remontu wnętrza, zastąpiono nową, wykonaną z szarych płyt marmuru chęcińskiego, którą położono w całym korpusie nawowym katedry.

Po zakończeniu prac remontowych we wnętrzu katedry otworzono ją dla nabożeństw 30 listopada 1893 r. Uroczystej rekonsekracji katedry we Włocławku dokonał 10 maja 1896 r. arcybiskup warszawski Wincenty Popiel, inicjator prac regotyzacyjnych.

Całości prac restauratorsko-budowlanych zrealizowanych w końcu XIX wieku dopełniła polichromia całego wnętrza katery wykonana przez braci Stanisława i Zdzisława Jasińskich z Warszawy przy współpracy Apoloniusza Kędzierskiego. Prace rozpoczęto 11 lipca 1900 r., a zakończono w 1902 r. wykonaniem polichromi w kaplicy św. Marcina.

Szczególną ozdobą katedry we Włocławku, o którą wytrwale zabiegał biskup Stanisław Kazimierz Zdzitowiecki (1902–1927), stał się tytuł i godność Bazyliki Mniejszej. Przywilej ten, wówczas dopiero drugi wydany dla polskiej świątyni, nadany został przez papieża Piusa X dekretem podpisanym w dniu 22 lutego 1907 r.