Notre-Dame var en av de första gotiska katedralerna. Skulpturerna och glasmålningarna visar naturalismens inflytande, vilket ger dem ett mer sekulärt utseende än den tidigare romanska arkitekturen. Notre-Dame var dessutom en av de första byggnaderna i världen att använda strävbågar.

Från början var det inte tänkt att byggnaden skulle ha strävbågar runt koret och navet, men när byggnationen påbörjats och de tunna väggarna (en gotisk nymodighet) växte högre, började belastningssprickor uppträda när väggarna buktade utåt. Strävbågarna lades till för att förhindra ytterligare skador. I många år föraktades strävbågarna, eftersom det sades att de såg ut som stafflier som någon glömt att avlägsna och gav katedralen ett ofullbordat utseende.

Notre Dame har blivit känd genom Victor Hugos roman och Disney-filmen Ringaren i Notre Dame som handlar om den puckelryggige och vanskapte ringaren Quasimodo.

År 1160 ansåg biskopen Maurice de Sully att den dåvarande Pariskatedralen var ovärdig sitt uppdrag och rev den till grunden kort efter sitt tillträde som biskop i Paris. Enligt legenden fick de Sully en vision av en ny katedral och skissade den i jorden framför den gamla katedralen. För att kunna uppföra den måste även flera hus demoleras och en ny väg byggas för att kunna forsla fram byggmaterialet.

År 1163[1] påbörjades själva byggarbetet, under Ludvig VII:s regeringstid. Det råder skilda meningar huruvida biskop de Sully eller påve Alexander III lade katedralens grundsten. Katedralen byggdes i flera steg, först byggdes koret som var färdigställt år 1182.[2] Under konstruktionen arbetade ett flertal arkitekter med byggnationen, något som de olika stilarna (och höjderna) på tornen vittnar om. Katedralens västra fasad med de två tornen byggdes på 1200-talet och har en harmonisk utformning med sina vertikala och horisontella linjer. Det norra tornet blev färdigt 1240 och det södra 1250.[3] Den ursprungliga spiran byggdes omkring år 1250[4], och katedralen var färdig omkring 1345.

En rad tillbyggnader och restaureringar av katedralen har gjorts genom åren. Åren 1844–1864 genomfördes en omfattande restaurering ledd av arkitekten Eugène Viollet-le-Duc. Utöver restaurering av arkitekturen byggdes bland annat en ny sakristia, den ursprungliga spiran som nedmonterats ersattes och flera av de religiösa konstverk som förstörts under franska revolutionen återskapades.[2]

Viollet-le-Duc gjorde också omfattande egna tillägg med ornament och statyer. Detta har kritiserats av vissa historiker, men har bidragit till att katedralen blivit en populär turistattraktion.[5] Den har årligen omkring 13 miljoner besökare[6]

År 2013 firades katedralens 850-årsjubileum med en rad utställningar och evenemang.[7]

Katedralen har varit plats för många historiska händelser. År 1431 kröntes Henrik VI av England till kung av Frankrike, 1537 gifte sig Jakob V av Skottland med Madeleine av Valois och 1804 krönte sig Napoleon Bonaparte till kejsare. Jeanne d'Arc blev saligförklarad i katedralen. Rekviemmässor har hållits för presidenterna Charles de Gaulle och François Mitterrand. Katedralens klocka har ringt för att markera alla stora historiska händelser i Frankrikes historia som kröningar, kungliga bröllop och slutet på två världskrig.[6]

Den 15 april 2019 utbröt en brand som ledde till att katedralens spira och tak kollapsade senare samma kväll.[8][9] Under natten till den 16 april fick brandmännen kontroll på elden.[10] 19:50 kollapsade den välkända spiran och tog med sig tonvis med sten. För första gången på 200 år firades ingen mässa vid julen den 25 december 2019, på grund av det pågående renoveringsarbetet.[11] Kort efter branden uttalade Frankrikes president Emmanuel Macron att Notre-Dame ska återuppbyggas.[12]