Vers 340, la première cathédrale a été fondée sur une villa romaine, dont les vestiges d'un hypocauste ont été mis au jour. Vers 426, une nouvelle construction a vu le jour après des destructions. Une construction carolingienne, décrite dans les sources comme une église imposante, a été entamée sous l'archevêque Prudence avant 861. Sous son successeur Ottulphe, la construction s'est poursuivie entre 870 et 883. Cette cathédrale a été rénovée de 980 à 999 sous l'archevêque Milon. On ignore si la tour ouest existante en 980 a été reprise de l'édifice précédent ou si elle a été reconstruite sur le modèle d'un édifice carolingien antérieur. On peut supposer que la tour ouest remonte à un édifice carolingien antérieur, car c'est principalement en 980 que fut érigé le riche ensemble roman oriental, avec son transept et sa couronne de chapelles. La construction existante a été entamée à partir de 1200, après le grave incendie de la ville de 1188, avec le grand choeur périphérique. La poursuite de la construction dure jusqu'en 1550.