Une communauté chrétienne existait probablement déjà au 3e siècle à Narbo Martius. Selon Grégoire de Tours, une église a été fondée vers 250 par Paul, l'un des sept premiers évêques gaulois. La présence d'une communauté chrétienne est également attestée au plus tard avec l'accord de Milan en 313. Comme d'habitude, celle-ci était installée en périphérie de la ville romaine. A la fin du 4e siècle, elle est devenue définitivement un évêché. Cela est également attesté pour 417 et Narbonne est devenue archevêché en 445. L'emplacement de la cathédrale actuelle se trouve sur le lieu de fondation du 4e siècle, au centre, à proximité du forum de la ville romaine. La forme de la première construction est inconnue, probablement après un incendie vers 400, une nouvelle basilique a été construite en 441. En 782, une translation des reliques des saints Justus et Pastor a eu lieu à Narbonne et la cathédrale a repris leur patronage. En 890, une nouvelle construction carolingienne a eu lieu sous l'archevêque Théodard, dont il reste une tour qui se trouve aujourd'hui dans la zone du cloître, où se trouvait à l'origine la cathédrale. La construction du 9ème siècle est reconstruite avec le transept et l'abside. En 1272, une nouvelle construction gothique est commencée au nord, à côté de l'ancienne cathédrale, mais seul le choeur est achevé.