В соборе проявляется двойственность стилистических влияний: с одной стороны, присутствуют отголоски романского стиля Нормандии со свойственным ему мощным и плотным единством, а с другой, — использованы новаторские архитектурные достижения готического стиля, которые придают зданию легкость и создают впечатление простоты вертикальной конструкции.

Строительство началось в 1163, при Людовике VII Французском. Историки расходятся в мнениях о том, кто именно заложил первый камень в фундамент собора — епископ Морис де Сюлли или папа Александр III. Главный алтарь собора освятили в мае 1182 года, к 1196 году неф здания был почти закончен, работы продолжались только на главном фасаде.

Мощный и величественный фасад разделён по вертикали на три части пилястрами, а по горизонтали — на три яруса галереями, при этом нижний ярус, в свою очередь, имеет три глубоких портала. Над ними идёт аркада (Галерея Королей) с двадцатью восемью статуями, представляющими царей древней Иудеи.

Строительство западного фронтона, с его отличительными двумя башнями, началось ок. 1200 года.

В ходе строительства собора в нём принимало участие много разных архитекторов, о чём свидетельствуют отличающиеся стилем и разные по высоте западная сторона и башни. Башни были закончены в 1245, а весь собор — в 1345 году.

Собор с его великолепным внутренним убранством в течение многих веков служил местом проведения королевских бракосочетаний, императорских коронаций и национальных похорон.

Как и в других готических храмах, здесь нет настенной живописи, и единственным источником цвета являются многочисленные витражи высоких стрельчатых окон.

Во времена Людовика XIV, в конце XVII века, собор пережил серьёзные перемены: могилы и витражи были разрушены.

В ходе Великой Французской революции, в конце XVIII века, статуи царей были низвергнуты восставшим народом, многие из сокровищ собора были разрушены или расхищены, сам же собор вообще был под угрозой сноса, и спасло его лишь превращение в «Храм Разума», а позднее он использовался как винный склад.

Собор был возвращён церкви и вновь освящён в 1802 году, при Наполеоне.

Реставрация началась в 1841 г. под руководством архитектора Виолле-ле-Дюка (1814—1879). Этот талантливый парижский реставратор также занимался реставрацией Амьенского собора, крепости Каркассон на юге Франции и готической церкви Сент-Шапель. Восстановление здания и скульптур, замена разбитых статуй и сооружение знаменитого шпиля длились 23 года. Виолле-ле-Дюку также принадлежит идея галереи химер на фасаде собора. Статуи химер установлены на верхней площадке у подножия башен.

В эти же годы были снесены постройки, примыкавшие к собору, в результате чего перед его фасадом образовалась нынешняя площадь.

В соборе хранится одна из великих христианских реликвий — Терновый венец Иисуса Христа. До 1063 года венец находился на горе Сион в Иерусалиме, откуда его перевезли во дворец византийских императоров в Константинополе. В 1238 году король Франции Людовик IX приобрёл венец у византийского императора. 18 августа 1239 года король внёс его в Нотр-Дам де Пари. В 1243—1248 при королевском дворце на острове Сите была построена Сент-Шапель (Святая часовня) для хранения Тернового венца, который находился здесь до Французской революции. Позднее венец был передан в сокровищницу Нотр-Дам де Пари.

Высота собора — 35 м
длина — 130 м, ширина — 48 м
высота колоколен — 69 м
вес колокола Эммануэль в восточной башне — 13 тонн
его языка — 500 кг.