Der Bau der heutigen Kathedrale begann zu der Zeit des Übergangs von der Romanik zur Gotik und erstreckte sich über annähernd 200 Jahre. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass in weitgehend noch romanischem Stil mit dem Chor begonnen wurde, mit dem Fortschreiten des Baus nach Westen zunehmend technische Möglichkeiten und Stilmittel der Gotik eingesetzt wurden, nach achteinhalb Jahrzehnten das Bauwerk so gut wie fertig war und das nächste Jahrhundert mit gotischer Umgestaltung, Erweiterung und Ausstattung älterer Bauteile verging.

Die Kathedrale ersetzte einen Vorgängerbau, der unter der Herrschaft des fränkischen Königs Childebert I. (König von 511 bis 558) in den Jahren um 540/550 entstanden und als Cathédrale St. Etienne (Stefansdom) bekannt war. Damit ist ihr Standort – nach denen des Panthéons und einer von Gregor von Tours erwähnten Begräbniskapelle bei der damaligen Nekropole Saint-Marcel – einer der ältesten unter den bekannten christlichen Gebetsstätten innerhalb der heutigen Pariser Stadtgrenzen.

Der Bau des Chores und seiner zwei Umgänge wurde 1163 unter Bischof Maurice de Sully und Ludwig VII. begonnen. Nach Fertigstellung wurde der Chor 1182 geweiht.

In der zweiten Bauphase wurde bis 1190 das mittlere Drittel des Kirchengebäudes gesetzt, bestehend aus der Vierung mit Querschiff, den drei davor liegenden Jochen des Hauptschiffs und jeweils zwei Jochen der beiden nördlichen und der beiden südlichen Seitenschiffe. Die Kirche hatte zunächst keinen Abschluss nach Westen.

In der dritten Bauphase von 1190 bis 1225 wurden die unteren Geschosse der Westfassade und das vordere Drittel des Kirchenschiffs errichtet, bestehend aus dem vordersten Joch des Hauptschiffs mit den unteren Geschossen der Türme vor den Seitenschiffen und dem zweiten Joch des Hauptschiffs mit den ersten beiden Jochen aller vier Seitenschiffe. Die ersten 18 Jahre davon vergingen mit dem Setzen der Fundamente. Ab 1208 wurde das Erdgeschoss der Westfassade mit den drei großen Portalen hochgemauert und ausgeschmückt. Ab 1218 wurden die Turmjoche des Kirchenschiffs hochgezogen, die zur Standsicherheit der Fassade gebraucht wurden. Um 1220 kam es zu einem Brand der östlichen Gebäudeteile. Bei der anschließenden Wiederherstellung gab es einige Veränderungen, die die heutige Gestalt von Chor und Schiff bestimmt haben.

Viollet-le Duc hat im 19. Jahrhundert versucht, den ursprünglichen Zustand zu erschließen und in seine Restaurierungsmaßnahmen einfließen zu lassen. Er fand Hinweise, dass die Choremporen zunächst Pultdächer gehabt hatten, und an der Südseite des zweiten Langhausjoches Reste einer Rundöffnung. Aufgrund seiner Rekonstruktion sind die dem Querhaus benachbarten Obergaden heute kleiner als die übrigen, und frühgotisch maßwerklos. Die Rundfenster darunter sind von dem Befund aus dem zweiten Langhausjoch inspiriert, dürfen aber nicht als Rekonstruktion frühgotischer Fenster missverstanden werden, sondern sind als verglaste Rekonstruktionen original unverglaster Triforiumsöffnungen zu verstehen.[1]

Bis 1250 wurden über den Chorumgang die Strebebögen verstärkt und die Schrägdächer durch Terrassen ersetzt, außerdem die Obergaden durch Maßwerkfenster im Stil früher Hochgotik ersetzt. Etwas zügiger entstand 1220 bis 1225 das Rosengeschoss der Turmfront mit der westlichen Fensterrose. Damit war die Kirche abgesehen von den Freigeschossen der Türme in ganzer Länge gebaut. Das Rosenfenster hat schon voll ausgebildetes Maßwerk, die benachbarten Koppelfenster in den Türmen bestehen aus maßwerklosen frühgotischen Spitzbogenfenstern, aber zwischen deren Spitzen Rundblenden mit Schleierstabwerk.

Während der vierten Bauphase von 1225 bis 1250 wurden die Turmgeschosse errichtet. Aus dieser Zeit sind Änderungen des Bauplans und erste Umbauten dokumentiert. An die Seitenschiffe wurden zwischen den Strebepfeilern Kapellen angebaut. Nach der Fertigstellung des Südturms 1240 wurde noch im selben Jahr beschlossen, den Türmen keine Spitzen aufzusetzen. Mit dem Abschluss des Nordturms 1250 war die Kathedrale faktisch fertiggestellt und funktionstüchtig.

Inzwischen nahm man Anstoß an den frühgotischen Formen der vor der ab 1220 durchgeführten Erneuerung gebaute Teile wie der Fassaden des Querschiffs. Darum wurde das Querschiff teilweise wieder abgebrochen und durch Jean de Chelles ab 1250 nach Norden und anschließend nach Süden verlängert. Er schuf noch die neue, hochgotische Nordfassade des Querhauses.

Dessen neue Südfassade schuf sein Nachfolger, der auch an der Errichtung der Sainte-Chapelle beteiligte Pierre de Montreuil. Dann begann er, die Strebepfeiler des Chors durch kräftigere und elegantere zu ersetzen. Daher ist heute nur noch die Westfassade frühgotisch, und, wenig beachtet, die seitlichen Außenwände der Chorempore. Der nächste Baumeister, Pierre de Chelles, errichtete den Lettner und begann 1296, den doppelten Chorumgang mit einem Kranz von Kapellen zu versehen.

Jean Ravy war Baumeister von 1318 bis 1344. Er vollendete die letzten Seitenkapellen des Chorumgangs und baute die elegantesten Strebepfeiler des Chores. Im Innenraum begann er mit der Gestaltung der Chorschranken. Sein Neffe Jean le Bouteiller leitete die Arbeiten von 1344 bis 1363.

Dessen Nachfolger Raymond du Temple brachte die Bauarbeiten zum Abschluss. Er vollendete vor allem die Chorschranken.

Im Zeitalter der Aufklärung wurden im Jahr 1728 die Buntglasfenster durch weiße Glasfenster ersetzt und die Wände weiß übertüncht. In den folgenden Jahrzehnten wurde ein Großteil der Figuren an den Türmen entfernt. 1793 stürmten die Verfechter der Revolution das Gotteshaus und zerstörten die Inneneinrichtung, deren metallene Gegenstände im Hôtel des Monnaies eingeschmolzen wurden. Im Gegensatz zu zahlreichen französischen Klöstern wurde die Kirche nicht abgerissen, aber entweiht und zum Tempel des höchsten Wesens, der Vernunft, erklärt. Später diente sie als Weindepot.

Nach der Unterzeichnung des Konkordates von 1801 gestattete Napoléon I. im Jahr 1802 die erneute liturgische Nutzung der Kathedrale, bevor er sich zwei Jahre später hier zum Kaiser krönte. Am 27. Februar 1805 wurde die Kirche durch Papst Pius VII. zur ersten französischen Basilica minor erhoben. Doch auch das konnte den durch die Revolution begonnenen Verfall nicht aufhalten. Zudem verwüsteten während der Julirevolution von 1830 Aufständische den an die Kirche angrenzenden erzbischöflichen Palast und die Schatzkammer.

1905 wurde das Gebäude wie fast alle französischen Sakralbauten durch das Gesetz zur Trennung von Kirche und Staat Staatseigentum.

Erst Victor Hugos 1831 erschienener Roman Der Glöckner von Notre-Dame rückte die Schönheit des Gebäudes wieder ins Blickfeld und trug zu der 1844 getroffenen Entscheidung für eine umfassende Restaurierungskampagne unter der Leitung von Eugène Viollet-le-Duc bei, die erst zwanzig Jahre später zum Abschluss kam. Unter anderem wurden die beschädigten oder fehlenden Skulpturen ersetzt und ein neuer, einem hohen Dachreiter ähnelnder Vierungsturm aus mit Blei verkleidetem Holz errichtet. Im Jahr 1858 wurden im Zuge der Restaurierung der erzbischöflichen Grabkammer weitere Gräber freigelegt.

In den 1990er Jahren wurde die Turmfront gereinigt.[2]

Wegen des zuletzt schlechten Zustands der Kathedrale war für die Jahre 2019 bis 2022 eine erneute Großrestaurierung geplant. Die Instandsetzungsarbeiten begannen im April 2019.[2][3]

Am Abend des 15. April 2019 kam es in der Kathedrale zu einem Großbrand, der am frühen Morgen des Folgetags unter Kontrolle gebracht werden konnte. Weite Teile des Dachstuhls aus Eichenholz verbrannten, der hölzerne Vierungsturm stürzte ein und das Gewölbe der Hauptschiffe wurde an mindestens zwei Stellen durchbrochen.[4] Zahlreiche Kunstschätze und Reliquien konnten dagegen gerettet werden.[5]

Frankreichs Präsident Emmanuel Macron kündigte am selben Abend einen Wiederaufbau des teilweise zerstörten Bauwerks an.[6] Der Wiederaufbau soll binnen fünf Jahren stattfinden.[7] Im September 2020 öffnete die Krypta wieder ihre Tore für Besucher. Diese archäologische Zone unter der Kathedrale existiert seit 1980 und wurde vor dem Brand von 13 Millionen Menschen pro Jahr besucht.[8] Am 12. Januar 2024 wurde der Dachstuhl fertig gestellt.[9]

Die Kathedrale soll am 8. Dezember 2024 wiedereröffnet werden.[10]