La première pierre est posée en 1163, lors d’une messe solennelle, en présence du pape, de l’évêque Mgr Maurice de Sully, et de nombreux fidèles réunis sur le parvis de l’ancienne basilique. Le chantier mobilisera près de deux siècles d’efforts, s’achevant symboliquement en 1345. Durant tout ce temps, les paroissiens, les pèlerins et les notables du diocèse de Paris ont vu s’élever le clocher, le chœur, les chapelles latérales, les orgues et le transept, pierre après pierre.
L’édifice devait être à la hauteur des autres abbayes et grandes cathédrales du royaume, comme celle de Reims ou d’Amiens. Il devait accueillir les évêques, les cardinaux, et même parfois le roi et son archevêque. Tout avait un sens liturgique et théologique : l'orientation vers l'est, la disposition des chapelles, la hauteur du choeur, la forme de la crypte, et la richesse des vitraux illustrant les évangiles, les saints, et les grands épisodes de la foi chrétienne.