Gruntowne prace regotyzacyjne w katedrze rozpoczął biskup Wincenty Teofil Chościak Popiel (1875–1883), który podjął zamiar nadania katedrze włocławskiej monumentalnego charakteru przez nadbudowanie wież. Starszy brat biskupa, Paweł Popiel, pełniący w latach 1856–1873 urząd Konserwatora Galicji Zachodniej, zarekomendował do realizacji tego zadania krakowskiego architekta – Tadeusza Stryjeńskiego.

Prace regotyzacyjne rozpoczęto w 1878 r. od restauracji kaplicy Najświętszego Sakramentu (Cibavit). Zdemontowano stary ołtarz, obniżono także o jeden stopień posadzkę, usunięto z niej płyty nagrobne i pokryto nowymi płytami z białego i czarnego marmuru kararyjskiego. Pozostawiono jedynie płytę fundatora kaplicy, biskupa Górki. W oknach zainstalowane zostały witraże przedstawiające św. Kazimierza i św. Stanisława, ufundowane przez archeologa Mikołaja Wisłockiego z Warszawy, wykonane w Paryżu. Pierwotnie przeznaczone były one do kaplicy Najświętszej Maryi Panny na Jasnej Górze w Częstochowie. W następnej kolejności przystąpiono do gruntownego remontu więźby dachowej nad prezbiterium. Na zewnątrz usunięto wówczas także tynkowy barokowy gzyms wieńczący ściany prezbiterium i wykonano nowy z profilowanej cegły.

W 1881 r. Tadeusz Stryjeński przygotował swój pierwszy projekt przewidujący czworoboczną nadbudowę wież katedry. Projekt ten zdobył powszechne uznanie w krakowskim środowisku konserwatorów. W tym czasie prowadzone już były prace przy kaplicy św. Marcina, których fundatorem obok kapituły katedralnej był włocławski przedsiębiorca budowlany Leon Bojańczyk i jego matka Eleonora. Przy tej renowacji ustawiono w kaplicy nowy, dębowy ołtarz, a w oknie zamontowano witraż przedstawiający świętego Marcina wykonany w warsztacie hrabiny Marii Łubieńskiej w Warszawie.

Biskup Popiel obawiając się trudności technicznych związanych ze znacznym zwiększeniem wysokości wież, wynikających z projektu Stryjeńskiego i pragnąc zarazem podkreślić polski charakter włocławskiej katedry, poprosił go o przygotowanie nowego projektu nadbudowy odwołującego się do typowo polskiej architektury. Wobec takich życzeń biskupa Tadeusz Stryjeński przygotował drugi wariant podwyższenia wież, tym razem z ośmioboczną nadbudową nawiązującą do wieży hejnałowej kościoła Mariackiego w Krakowie. Na prośbę biskupa podjął się również zaprojektowania zewnętrznych krucht osłaniających wejścia do katedry.

Podczas realizacji ośmiobocznej nadbudowy wież wynikły trudności konstrukcyjne, które sprawiły, że zaczęły rysować się mury obwodowe wież i w praktyce okazało się, iż niemożliwe jest wzniesienie ośmiobocznego podwyższenia wież przy zastosowanych w jej niższych partiach jako elementu konstrukcyjnego narożnych szkarp. Wówczas postanowiono zaprosić do kontynuowania prac przy katedrze któregoś z architektów warszawskich. Prace przy regotyzacji katedry we Włocławku powierzone zostały Konstantemu Wojciechowskiemu, który w oparciu o pierwszy projekt Stryjeńskiego opracował własną propozycję projektową czworobocznej nadbudowy wież. Projekt ten został zatwierdzony przez władze państwowe w Warszawie 17 maja 1886 roku. Po dokonaniu uproszczeń w dekoracji szpiczastych hełmów, polegających na zastosowaniu szczytów wież i hełmów z pierwszego projektu Tadeusza Stryjeńskiego, projekt uzyskał także aprobatę biskupa Aleksandra Bereśniewicza.

W pierwszej kolejności wykonano prace przy nadbudowie wież katedry w ich nowym kształcie, który zachowany jest do dzisiaj. Wieże nakryto szpiczastymi czworobocznymi hełmami. Niestety w czasie tych prac uległ zniszczeniu zabytkowy szczyt międzywieżowy z XV wieku, który Konstanty Wojciechowski zastąpił nowym, według własnego projektu. Z dachu nawy głównej została usunięta mała wieżyczka mieszcząca sygnaturkę. Wzniesiono także nowy szczyt wschodni zamykający poddasze nawy głównej.