Wspierany finansowo przez monarchę biskup zatrudnił architekta (którego tożsamość nie jest nam dzisiaj znana) do zaprojektowania nowej katedry. Budowa wymagała wyburzenia rozmaitych domostw w tłocznym sąsiedztwie oraz dwóch istniejących kościołów, wybudowanych w miejscu antycznej pogańskiej świątyni. Kamień węgielny został wmurowany podczas wystawnej ceremonii w obecności samego papieża – Aleksandra III – w czerwcu 1163 roku.
Budowa Wybudowanie katedry zajęło blisko 200 lat. Budowę zaczęto od strony wschodniej – tam znajduje się część poświęcona sacrum. Konsekracja ołtarza nastąpiła w 1182 roku, podczas panowania króla Filipa II. Wtedy to biskup de Sully odprawił uroczystą pierwszą mszę świętą w katedrze. Zmarł jednak w 1196 roku, blisko 150 lat przed ukończeniem prac.
W początkowych fazach projektowania konstrukcja dachu oraz ścian była stosunkowo ciężka i masywna, co ograniczało rozmiar okien zmniejszając ilość naturalnego światła wpadającego do wnętrza katedry. W 1220 roku postanowiono pozbyć się problemu górnego domknięcia wnętrza naw za pomocą sklepień żebrowych, charakterystycznego rozwiązania gotyckiego wykorzystującego układ przecinających się kamiennych żeber do podparcia konstrukcji.