Das heutige klassizistische Aussehen geht auf das Projekt des litauischen Architekten Stuoka-Gucevičius zurück, das ab 1783 realisiert wurde. Nach 15 Jahren Bauzeit wurden die Arbeiten 1801 unter der Leitung des Architekten Michael Schulz abgeschlossen (Stuoka-Gucevičius war 1798 verstorben). Noch vor Abschluss der Arbeiten war allerdings das Bistum Vilnius nach der Eingliederung Litauens in das Russische Kaiserreich 1795–1798 aufgehoben und danach dem Erzbistum Mogiljow unterstellt worden. Bischöfe wurden an ihrer Amtsausübung gehindert und mit der Schließung der Universität verlor das Bistum sein Ausbildungszentrum. Als die Kasimir-Kirche nach dem polnisch-litauischen Aufstand 1831 in ein orthodoxes Gotteshaus umgewandelt wurde, kamen die Rokoko-Plastiken mit den Figuren litauischer Großfürsten, Heiliger und Apostel in die Nischen der Außenwände der Kathedrale.