En 1953, Luís Moya participa por invitación en el Concurso de la Catedral de San Salvador, que convoca el Comité Técnico para la Reconstrucción de la Santa Iglesia Catedral Metropolitana; realiza el proyecto junto con el arquitecto Joaquín Vaquero Palacios, con el que mantiene una relación de gran amistad además de profesional. La invitación da prueba del impacto que había tenido en su día el proyecto de ambos para el Concurso del Faro a la memoria de Cristóbal Colón en la República Dominicana, en el que obtuvieron el tercer premio (1929-1932) (unidad documental LMOYAB_004).
El programa incluye la catedral propiamente dicha, un palacio arzobispal y unos edificios anexos para oficinas y viviendas de canónigos. La solución propuesta, además de dar cumplimiento a los requerimientos funcionales, centra su atención en responder a las exigencias del clima y al riesgo de seísmos.
La nave del templo es elíptica (40,80 m de longitud, 33,00 m de anchura y una capacidad de alrededor de tres mil personas sentadas), forma que los autores, en la memoria del concurso, justifican como la más adecuada: “habremos de concebir el Templo de dos modos simultáneos: como «Casa o Trono del Señor» y como «Ecclesia» o asamblea de los fieles. Para la primera se hará un Presbiterio tan noble como sea posible concebirlo, donde todo se supedite a un centro, la Eucaristía. Para los fieles estará la nave, que [...] debe ser muy amplia y capaz para ver y oír bien, y donde la unidad es esencial, pues todos unidos participan los fieles del Culto, en un solo Cuerpo Místico”; el texto continua con “la unidad no debe ser rota por pilares o formas extrañas de la planta, ni que sea adecuada la forma de abanico propia para teatros o cines donde solo se va a ver y oír, pero no indicada para una Iglesia, pues esa forma aleja a la mayor parte de los asistentes del altar, debido a que las filas son más largas cuanto más alejadas están de aquél, lo que es contrario al espíritu de participación de los fieles en el Sacrificio. Lo ideal es que el centro de gravedad de la nave se acerca al Presbiterio cuanto sea posible. Por estas razones, unidas a otras puramente técnicas y económicas, se ha elegido la forma elíptica para la nave. Para dejarla reservada al Culto central, es necesario separar la circulación de fieles, los confesionarios y los Cultos de las Capillas, y para estos fines se han dispuesto unas naves laterales que sirven exclusivamente a estas necesidades que se presentan en toda Iglesia, y más en una Catedral”. (LMOYAB_D001_C001-01_003)
La catedral se corona por una bóveda apoyada en diez pares de arcos en hormigón armado que se cruzan entre sí y que se apoyan en un zuncho elíptico; éste absorbe los empujes de la bóveda y, a su vez, descansa sobre grupos de pilares. El palacio arzobispal, desarrollado en tres niveles, es una unidad independiente aunque conectada en varios puntos con la catedral y se organiza en torno a varios patios ajardinados.