Construcția catedralei a început în anul 1163, pe locul unui lăcaș de cult dedicat sfântului diacon Ștefan. În 1182, altarul a fost sfinţit de episcopul Maurice de Sully. Lucrările la catedrală au durat din 1163 până în 1345.
Construcția clădirii cu cinci nave s-a terminat prin lucrările de pe fațada vestică, iar pe la mijlocul secolului al XIV-lea, prima capodoperă a stilului gotic timpuriu era gata. Cu toate că desenele inițiale și strana evocau încă stilul romanic, aici s-au aplicat pentru prima oară soluții arhitecturale specifice stilului gotic.
În timpul iacobinilor (1793-1794), catedrala a fost profanată devenind Templu al Rațiunii și loc unde erau citite și dezbătute operele iluminiștilor în timp ce era venerată Ființa Supremă. Catedrala a redevenit catolică în urma concordatului lui Napoleon I cu Papa Pius al VII-lea din 1801, Napoleon fiind încoronat aici împărat al Franței pe data de 2 decembrie 1804.
Notre-Dame este considerată cea mai întunecată catedrală dintre marile catedrale gotice, dar, pe bună dreptate, lumina care se filtrează prin rozetele colorate conferă sentimente mistice în penumbra severă.