La ville romaine d'Autissiodurum était un carrefour routier important. Il n'en reste toutefois pratiquement aucun vestige romain. Une première cathédrale fut peut-être fondée par Pélagrin (+304) dès le IIIe siècle, à l'extérieur de la ville romaine, à l'emplacement de l'actuelle église paroissiale Saint-Pélerin (XVIe siècle, crypte du VIe siècle). Auxerre fut certainement le siège épiscopal dès le Concile de Milan de 313. Le transfert vers l'emplacement de la cathédrale actuelle eut probablement lieu sous l'évêque Amator (386-418). Ce bâtiment II fut sans doute construit avant 400 ; au début du VIIe siècle, il fut agrandi par une abside. À partir du Ve siècle, le site s'est agrandi pour former un ensemble cathédral comprenant une église mariale et un baptistère (obj-795) au nord de l'église principale, dont on sait toutefois peu de choses. Une reconstruction complète de la cathédrale a eu lieu vers 900, puis une autre après l'incendie de la ville en 1023, dont la crypte est conservée. La cathédrale actuelle est le cinquième édifice construit à cet emplacement ; sa construction a débuté en 1215.