La première cathédrale ou mater ecclesiae fut peut-être érigée par saint Amâtre (386-416). Incendiée, elle fut reconstruite au IXe siècle par l'évêque Hérifride, puis à nouveau détruite par les flammes un siècle plus tard.

De la cathédrale romane, construite dans la première moitié du XIe siècle par Hugues de Chalon, il ne reste que la crypte. Elle fut remplacée par la cathédrale gothique actuelle bâtie à l'initiative de l'évêque Guillaume de Seignelay. Les travaux s'achevèrent trois siècles plus tard et, en 1543, on consacra l'un des plus beaux édifices gothiques de France. Un temps déchristianisée pendant la révolution, elle fut rouverte au culte catholique en 1795.