Besançon, das römische Vesontio, gehörte zu den frühesten Christengemeinden im westlichen römischen Reich, wohl um 180 in der römischen Stadt gegründet. Der frühe Dom war wohl immer an dieser Stelle, am Rande, aber innerhalb der römischen Stadt. Über die römischen und merowingischen Bauten ist wenig bekannt. 326 soll ein Neubau über dem Grab des Paulin als Saint-Étienne errichtet worden sein. Dabei handelt es sich aber wohl um Saint-Étienne auf dem Berg der heutigen Zitadelle (obj-386). Der Dombau wurde wohl um 500 erneuert. 737 gab es einen Überfall durch die Sarazenen. Unter Erzbischof Bernoin entstand 811/829 ein karolingischer Neubau, offenbar mit veränderter Ausrichtung. Es handelte sich um einen dreischiffigen Bau mit Westapsis und Ostapsis sowie einem Doppelpatrozinium Saint-Étienne/Saint-Jean. 1061 erfolgte ein tiefgreifender Umbau. 1148 fand die Weihe des aktuellen Baues statt, wieder als doppelchörige dreischiffige Basilika mit Apsiden.

Besançon, la Vesontio romaine, a fait partie des premières communautés chrétiennes de l'Empire romain d'Occident, probablement fondée vers 180 dans la ville romaine. La cathédrale primitive a probablement toujours été située à cet endroit, à la périphérie, mais à l'intérieur de la ville romaine. On sait peu de choses sur les constructions romaines et mérovingiennes. En 326, une nouvelle construction aurait été érigée sur la tombe de Paulin sous le nom de Saint-Étienne. Mais il s'agit probablement de Saint-Étienne sur la colline de l'actuelle citadelle (obj-386). La construction de la cathédrale a probablement été renouvelée vers 500. En 737, il y eut un raid des Sarrasins. Sous l'archevêque Bernoin, une nouvelle construction carolingienne fut érigée en 811/829, apparemment avec une orientation différente. Il s'agissait d'un édifice à trois nefs avec une abside occidentale et une abside orientale, ainsi qu'un double patronage Saint-Étienne/Saint-Jean. En 1061, une profonde transformation eut lieu. En 1148 eut lieu la consécration de l'édifice actuel, à nouveau une basilique à deux choeurs et trois nefs avec absides.