La costruzione della chiesa cattedrale di Notre Dame completamente in stile gotico venne avviata intorno al 1163. La fase di costruzione si divise in due. Nel 1250 fu completata la parte esterna dell’edificio, fino alla metà del XIV secolo, invece, vennero fatti una serie di interventi alla struttura interna ed alcuni ritocchi esterni fino al raggiungimento del risultato attuale.
L’edificazione dell’edificio venne finanziata sia dalla Chiesa, sia dalla monarchia francese e lavorarono al cantiere molti cittadini prestando la loro opera come fabbri, muratori e carpentieri.  La struttura, a cinque navate con doppio deambulatorio intorno all’abside, venne portata a termine nel 1182. Conclusi i lavori del coro, questo venne isolato con l’erezione di una parete provvisoria tale da comprendere sia l’area centrale, sia il deambulatorio, e iniziarono quelli per la costruzione del transetto e delle navate con i relativi matronei. Si fermarono nel 1190 dopo la costruzione delle tre campate più vicine alla crociera. In seguito, il cantiere si spostò nell’area della facciata, edificata a partire dal 1208 dopo lo scavo delle sue fondamenta e completata nel 1218. A partire dallo stesso anno si procedette al completamento delle navate fino alla conclusione dei lavori nel 1250. Dopo il 1250, la cattedrale, ormai terminata, fu oggetto di una serie di importanti restauri e modifiche fino a farle acquisire, alla metà del XIV secolo, la struttura odierna.
La cattedrale di Notre Dame fu teatro di importanti eventi. Fu scelta dal Luigi IX il Santo nel 1239 come luogo, inizialmente provvisorio poi definitivo con il Concordato del 1801, di reposizione della reliquia della Corona di spine ritenuta dalla tradizione indossata da Gesù sulla croce.
All’interno della cattedrale sono state celebrate molte cerimonie religiose legate ai re di Francia: tra queste il matrimonio tra Maria Stuarda, regina di Scozia e Francesco di Valois, delfino di Francia nel 1558; le nozze di sangue tra Enrico III di Navarra, poi Enrico IV di Francia, e Margherita di Valois, così chiamate perché vennero celebrate il 18 agosto 1572, sei giorni prima della Notte di San Bartolomeo; il matrimonio tra l’imperatore Napoleone III e Eugenia de Montijo (30 gennaio 1853). Nel XIX secolo, in Notre-Dame furono celebrati i battesimi del re di Roma Napoleone II (1811)e del principe imperiale Napoleone Eugenio Luigi Bonaparte (1856). Nella cattedrale si svolsero alcune celebrazioni tra cui quella di apertura del 17 giugno del concilio nazionale del 1811 cui parteciparono 6 cardinali e 98 tra arcivescovi e vescovi francesi e del Regno d’Italia voluto da Napoleone Bonaparte. L’edificio è stato anche il luogo di eventi politici, come la prima convocazione degli Stati Generali, il 10 aprile 1302 da parte di Filippo il Bello,e il canto del Te Deum per varie imprese militari: nel 1447 per la riconquista di Parigi da parte di Carlo VII, il 22 maggio 1594 da Enrico IV per lo stesso motivo, il 9 maggio 1945 per la vittoria della Francia durante la seconda guerra mondiale, preceduto, il 26 agosto 1944, dal canto del Magnificat per la Liberazione di Parigi. La chiesa è stata inoltre luogo dell’incoronazione illegittima di Enrico VI d’Inghilterra a re di Francia nel 1431, del processo di riabilitazione di Giovanna d’Arco nel 1456 e dell’abiura del Maresciallo di Francia Henri de La Tour d’Auvergne-Bouillon nel 1668. L’edificio inoltre è stato il luogo d’incoronazione di Napoleone Bonaparte a Imperatore dei Francesi, avvenuta il 2 dicembre 1804 in presenza di papa Pio VII ed anche di eventi importanti della storia recente.