L'histoire de la cathédrale est indissociable de celle du sacre des rois de France. C'est là que Clovis, premier roi des Francs, fut baptisé en 498-499. Après lui, Louis le Pieux, fils de Charlemagne, s'y fit couronner empereur en 816. Il fut imité par la plupart de ses successeurs jusqu'à Charles X en 1825. L'édifice actuelle n'est pas celui du sacre de Clovis. C'est en fait la troisième cathédrale bâtie sur ce site. Les travaux ont commencé en 1211 pour s'achever pour l'essentiel en 1275.
Durant la Première guerre mondiale, un incendie et quatre ans de bombardements ont laissé la cathédrale debout, mais gravement mutilée. A partir de 1918, de grands travaux de restauration sont dirigés par Henri Deneux. En 1938, la cathédrale est officiellement réouverte.