Ab 780 war Willehad, ein Angelsachse aus Northumbrien, an der Unterweser als Missionar tätig. Wegen des Sachsenaufstandes von 782 zog er sich zurück in sein Stammkloster Echternach. 785 nahm er seine Tätigkeit wieder auf. Anlass war die Taufe des Sachsenführers Widukind durch Karl im Jahr 785 in der Kaiserpfalz Attigny. 787 wird Willehad von Karl in Worms zum Bischof für Bremen geweiht und mit päpstlichen Auftrag entsandt. Willehad wählt einen Standort in Brema aus, baut eine erste Kirche, die 789 geweiht wird. Es handelte sich um einen steinernen Bau als Saal mit rechteckigem Altarraum. Kurz danach, noch im Jahr 789, stirbt Willehad und wird im Altarraum seines Domes bestattet. Es ereignen sich bald Wundertaten an seinem Grab und er entsteht eine Heiligenverehrung. Ab 805 lässt der Nachfolger Willerich für Willehad eine Grabeskirche bauen, zusammen mit einem möglichen Baptisterium entsteht eine Kirchengruppe. Der Dom wird nach Westen vergrößert.

847 werden unter dem neuen Bischof Ansgar das Bistum Bremen und das zerstörte Bistum Hamburg (834-847) zusammengelegt und am Standort Bremen entsteht der Sitz des nun zum Erzbistum erhobenen Doppelbistums Bremen-Hamburg. 860 erfolgt die Weihe eines neuen Domes durch Ansgar. Dazu findet eine feierliche Überführung der Gebeine des Heiligen Willehad in den Dom statt. Für die Verehrung der Reliquien des Heiligen wird eine eigene Grablege im Westen, eventuell in einer Westkrypta angelegt. Nach neuer Interpretation der Grabungsbefunde muss der karolingische Bau ein Westquerhaus besessen haben. Ein bisher falsch gedeutetes längsrechteckiges Mauerstück im Nordschiff ist eindeutig in Nord-Süd-Ausrichtung gefunden worden. Es ist zu breit für einen eventuellen Rest einer Ost-West-Mauer. Die südliche Kante ist unregelmäßiger und als Abbruchkante zu identifizieren, die bei der späteren Anlage eines Grabes in diesem Bereich entstanden ist, für das die störenden Steine entfernt wurden. Die östliche Kante hingegen ist glatt, und dort gibt es keinen erkennbaren Grund, weshalb das Fundament ausgerechnet hier ausgehoben worden sein soll. Zudem gibt es auch im parallelen Suchgraben X keine Spur eines Ost-West-Fundaments. Damit ist eine Nord-Süd-Mauer sicher anzunehmen, die nur zu einem Westbau oder einem Westquerhaus gehören kann. Ähnliche Westquerhause in vergleichbaren Situationen (Heiligengräber) finden sich kurz zuvor in Fulda, Paderborn oder Münster. Später wird noch in der Art einer Außenkrypta eine Grabkapelle für Bischöfe am Chorscheitel angebaut.

1041 zerstört ein Brand den karolingischen Bau und es beginnt ein großes Neubauvorhaben unter Erzbischof Bezelin, fortgeführt von Adalbert, fertiggestellt von Liemar. Dieser Bau ist mit Ausnahme einiger späterer gotischen Veränderungen (Einwölbung) weitestgehend erhalten. Ab 1219 entsteht eine Zweiturmfassade mit gotischer Rose. Die heutige Westfassade und weitere Teile (Vierungsturm) stammen von einer Restaurierung von 1888-1902.

A partir de 780, Willehad, un Anglo-Saxon originaire de Northumbrie, a été missionnaire dans le Bas-Weser. En raison de la révolte saxonne de 782, il se retira dans son monastère d'origine d'Echternach. En 785, il reprit son activité. L'occasion était le baptême du chef saxon Widukind par Charles en 785 dans le palais impérial d'Attigny. En 787, Charles consacre Willehad comme évêque de Brême à Worms et l'envoie avec un mandat pontifical. Willehad choisit un site à Brema, construit une première église qui est consacrée en 789. Il s'agissait d'une construction en pierre sous forme de salle avec un sanctuaire rectangulaire. Peu de temps après, toujours en 789, Willehad meurt et est enterré dans le sanctuaire de sa cathédrale. Des miracles se produisent rapidement sur sa tombe et un culte des saints voit le jour. À partir de 805, son successeur Willerich fait construire une église funéraire pour Willehad ; avec un éventuel baptistère, un groupe d'églises est créé. La cathédrale est agrandie vers l'ouest.

En 847, sous le nouvel évêque Ansgar, l'évêché de Brême et l'évêché de Hambourg détruit (834-847) sont réunis et le siège du double évêché de Brême-Hambourg, désormais archevêché, est créé sur le site de Brême. En 860, une nouvelle cathédrale est consacrée par Ansgar. Les ossements de saint Willehad sont transférés solennellement dans la cathédrale. Pour la vénération des reliques du saint, une sépulture spécifique est aménagée à l'ouest, éventuellement dans une crypte occidentale. Selon une nouvelle interprétation des résultats des fouilles, l'édifice carolingien doit avoir possédé un transept ouest. Un morceau de mur rectangulaire longitudinal dans la nef nord, jusqu'à présent mal interprété, a été retrouvé clairement orienté nord-sud. Il est trop large pour un éventuel reste de mur est-ouest. Le bord sud est plus irrégulier et peut être identifié comme un bord de démolition, créé lors de l'aménagement ultérieur d'une tombe dans cette zone, pour laquelle les pierres gênantes ont été enlevées. Le bord oriental, en revanche, est lisse et il n'y a aucune raison apparente pour que les fondations aient été creusées à cet endroit précis. De plus, il n'y a pas non plus de trace de fondation est-ouest dans la tranchée de recherche X parallèle. On peut donc supposer avec certitude qu'il s'agit d'un mur nord-sud, qui ne peut appartenir qu'à un bâtiment occidental ou à un transept occidental. Des maisons transversales occidentales similaires dans des situations comparables (tombeaux de saints) se trouvent peu avant à Fulda, Paderborn ou Münster. Plus tard, une chapelle funéraire pour les évêques est encore ajoutée au sommet du choeur, à la manière d'une crypte extérieure.

En 1041, un incendie détruit l'édifice carolingien et un grand projet de construction commence sous l'archevêque Bezelin, poursuivi par Adalbert et achevé par Liemar. Cette construction est en grande partie conservée, à l'exception de quelques modifications gothiques ultérieures (voûte). À partir de 1219, une façade à deux tours avec une rose gothique est construite. La façade occidentale actuelle et d'autres parties (tour de la croisée) datent d'une restauration de 1888-1902.