تقوم كاتدرائية نوتردام في مكان بناء أول كنيسة مسيحية في باريس، وهي "بازيليك القديس استيفان" والتي كانت بدورها مبنية على أنقاض معبد جوبيتير الغالو-روماني، النسخة الأولى من نوتردام كنت كنيسة بديعة بناها الملك شيلدبرت الأول ملك الفرنجة وذلك عام 528م، وأصبحت كاتدرائية مدينة باريس في القرن العاشر بشكلها القوطي. قبة الكنيسة ترتفع إلى 33 مترا.

في عام 1160، بعد أن أصبحت الكنيسة في باريس "كنيسة الرعية من ملوك أوروبا"، اعتبر الأسقف السابق موريس دي سولي باريس كاتدرائية سانت إتيان (سانت ستيفن)، التي أنشئت في القرن الرابع، لا تليق بدورها النبيل، وقد هدمت بعد وقت قصير من توليه لقب "أسقف باريس". حيث اقترحت الْحفريات الأثرية في القرن العشرين أن تستبدل الكاتدرائية بسولي نفسها ببنائها الضخم، مع صحن وواجهة بحوالي 36 متراً. ولذلك فمن الممكن أن الأخطاء مع الهيكل السابق كانت مبالغاً باأسقفها وذلك للمساعدة في تبرير إعادة بناء على أحدث طراز. وفقا للأسطورة، سولي كان رؤية للكاتدرائية الجديدة المجيدة لباريس، ورسمت على أرض الواقع خارج الكنيسة الأصلية.

للبدء بالبناء، هدم الأسقف عدّة منازل، وبنى طريقاً جديدة لنقل المواد لبقية الكاتدرائية. بدأ البناء في عام 1163 في عهد لويس السابع، واختلف الرأي بشأن ما إذا كان سولي أوالبابا ألكسندر الثالث أرسى حجر الأساس للكاتدرائية. ومع ذلك، كرس الأسقف دي سولي معظم حياته والثروة للبناء في الكاتدرائية. استغرق بناء الجوقة من 1163 حتى عام 1177 ومذبحا عاليا جديدا في عام 1182 (كانت الممارسة العادية للطرف الشرقي لكنيسة جديدة لتكتمل أولاً، حيث أنه يمكن نصب جدار مؤقت في غرب الجوقة، مما يسمح لاستخدامه دون إنقطاع بينما بقية المبنى أخذ الشكل ببطء). بعد وفاة الأسقف موريس دي سولي في 1196، خلفه أوديس دي سولي وأشرف على الانتهاء من أجنحة الكنيسة والصحن، التي أوشكت على الانتهاء في وقت وفاته في 1208. خلال هذه المرحلة، بنيت الواجهة الغربية أيضاً، على الرغم من أنه لم يكتمل حتى حوالي منتصف 1240s.

عَمل العديد من المُهندسين المعماريين في الموقع خلال فترة التشييد، والذي يتضح من الأنماط المختلفة على ارتفاعات مختلفة من الجبهة الغربية والأبراج. وأشرف المهندس المعماري الرابع بين 1210 و 1220 على بناء المستوى مع الإطار الوردي وقاعات كبيرة تحت البرجين.

وجاءَت أهم التغييرات في التصميم في منتصف القرن الثّالث عشر، عندما تم تشكيل أجنحة الكنيسة على أحدث طراز رايونانت ؛في عاك 1240 أضاف جان دي الراحل بوابة جملونية إلى الجناح الشمالي تصدرت بنافذة ورد مذهلة. بعد ذلك (من عام 1258) نفذ بيير دي مونروي مخطط مماثل في الجناح الجنوبي. كل هذه البوابات كانت غنية منمقة مع النحت؛ تحمل مشاهد مميزة حيث يحمل المدخل الجنوبي جزءاً من حياة سانت ستيفن والقديسين المختلفة، في حين أظهرت البوابة الشمالية طفولة المسيح وقصة ثيوفيلوس مع تمثال العذراء وتأثير الطفل الكبير في ترومو. شارك العديد من المهندسين المعماريين في الموقع خلال فترة التشييد، والذي يتضح من الأنماط المختلفة على ارتفاعات مختلفة من الجبهة الغربية والأبراج. وأشرف عليها المهندس المعماري الرابع بين عامي 1210 و 1220، وتم بناء المستوى مع الإطار الوردي وقاعات كبيرة تحت البرجين.