Budowa paryskiej katedry Notre-Dame rozpoczęła się na wyspie na Sekwanie, zwanej Île de la Cité, w 1160 r. w miejscu znajdującej się w tym miejscu od czasów rzymskich bazyliki. Wzorem dla świątyni była pierwsza wielka katedra gotycka w Saint-Denis. W trakcie trwającej do 1345 r. pracy zastosowano wiele przełomowych rozwiązań technicznych i architektonicznych. Pozwoliły one na wzniesienie imponującej świątyni olśniewającej witrażami i niezwykle bogatą ornamentyką. Wywoływała zachwyt największych uczonych średniowiecza. Francuski filozof z przełomu XIII i XIV w. Jan z Jandun stwierdził, że jest to „najwspanialsza świątynia ku czci Najświętszej Marii Panny”. Już w XII wieku wokół budowanej katedry powstało środowisko kompozytorów muzyki kościelnej nazywane Szkołą Notre-Dame, która wpłynęła na ukształtowanie się polifonii i gatunku nazywanego później motetem.
W XVI wieku po raz pierwszy Notre-Dame znalazła się na kartach polskiej historii. 10 września 1573 r. w katedrze wybrany kilka miesięcy wcześniej na pierwszego elekcyjnego władcę Rzeczypospolitej książę Henryk Walezy w obecności poselstwa polskiego złożył przysięgę na dotrzymanie zobowiązań zapisanych w artykułach henrykowskich i paktach konwentach oraz innych dokumentach dotyczących wolności szlacheckich. Następnie wraz z orszakiem wyruszył do Krakowa.
Po raz kolejny historia Polski i Notre-Dame splotła się za sprawą ostatniego króla z dynastii Wazów na polskim tronie. W 1669 r. po abdykacji król Jan II Kazimierz wywiózł część polskich insygniów koronacyjnych. Wśród nich był relikwiarz Drzewa Krzyża Świętego, który znajdował się w skarbcu polskich władców od czasów Władysława Jagiełły. Relikwiarz był używany podczas kolejnych koronacji polskich władców. Po śmierci Jana Kazimierza znalazł się w skarbcu Notre-Dame. W przeciwieństwie do wielu innych relikwii przetrwał niszczenie tego rodzaju dzieł w okresie rewolucji francuskiej.
Obok „polskiej” relikwii w skarbcu przechowywane są również korona cierniowa i użyty podczas ukrzyżowania gwóźdź. Wszystkie przetrwały dramatyczny pożar. Korona cierniowa była wystawiana na widok publiczny w pierwszy piątek miesiąca, a w Wielkim Poście w każdy piątek o godzinie piętnastej, czyli godzinie ukrzyżowania. Koronę nabył od rządzącego Konstantynopolem Baldwina II król Ludwik IX Święty. 18 sierpnia 1239 r. relikwiarz z koroną został uroczyście wniesiony przez władcę w mury Paryża.
Pożar z 15 kwietnia 2019 r. nie był pierwszym wydarzeniem, które niemal doprowadziło do zniknięcia katedry z krajobrazu miasta. Rewolucja francuska była dla Notre-Dame najbardziej dramatycznym momentem jej historii. Katedra stała się „świątynią rozumu” i miejscem kultu „bogini wolności”. Rewolucyjny kult doprowadził także do dewastacji wnętrza. Dopiero przejęcie władzy przez Napoleona doprowadziło do zwrotu katedry Kościołowi.
W 1802 r. pisarz i konserwatywny polityk François-René de Chateaubriand opublikował dzieło „Geniusz chrześcijaństwa”, które stanowiła symboliczne zakończenie rewolucyjnej walki z Kościołem. Dwa lata później Notre-Dame stała się widownią niezwykłej koronacji Napoleona Bonapartego na cesarza Francuzów, a w 1810 r. jego ślubu z Marą Ludwiką Austriaczką.
„Katedra była dlań [dzwonnika] nie tylko społeczeństwem, lecz również wszechświatem, lecz również całą przyrodą. Nie śnił o innych grzędach niż witraże zawsze w kwiatach, o innym cieniu niż cień kamiennego listowia, które wyrastało, bujne i pełne ptaków, z kęp saksońskich kapiteli, o innych górach niż gigantyczne wieże kościoła, o innym oceanie niż Paryż szumiący u ich stóp” – pisał o Notre-Dame Victor Hugo w powieści „Katedra Marii Panny w Paryżu”. Opublikowane w 1831 r. dzieło zwróciło uwagę opinii publicznej na fatalny stan, w jakim znajdowała się katedra. Prace nad renowacją nadzorowali pionierzy konserwacji sztuki Jean-Baptiste-Antoine Lassus i Eugène Viollet-le-Duc. Podobnie jak kolejne pokolenia konserwatorów wzorowali się na zachowanych rysunkach detali architektonicznych. Zupełnie zniszczone elementy wystroju zastępowali rekonstrukcjami stworzonymi po długich studiach nad sztuką gotyku. Prace podjęte w latach trzydziestych XIX w. trwały ponad ćwierć wieku.
Dzieło Victora Hugo otworzyło nowy etap europejskiej fascynacji średniowieczem. Wśród zwiedzających Notre-Dame i inne francuskie katedry byli również polscy romantycy. 27 września 1841 r. wielu polskich emigrantów zebrało się w katedrze na mszę jednoczącą tę podzieloną społeczność. Po jej zakończeniu głos zabrał nieznany szerzej, niedawno przybyły do Paryża ziemianin z Wileńszczyzny Andrzej Towiański. „Bracia! Przybyłem między was, abym was powitał, abym zawarł z wami przymierze i zwiastował wam koniec waszych cierpień” – stwierdził. Wystąpienie Towiańskiego w Notre-Dame jest uznawane za początek kształtowania się mesjanistycznego Koła Sprawy Bożej. Mistyk i jego zwolennicy, wśród których ważną rolę odgrywali Adam Mickiewicz i Juliusz Słowacki, zapowiadali nadejście „królestwa bożego”. W procesie moralnej rewolucji przybliżającej ten moment kluczową rolę mieli odegrać Polacy.
Wystąpienie Towiańskiego w Notre-Dame stanowi jeden z bardziej momentów dziejów Wielkiej Emigracji. Codzienna egzystencja polskich artystów i poetów „na paryskim bruku” to przede wszystkim zmaganie się z niedostatkiem i samotnością. Wielu z nich podkreślało również swoją pogardę dla „zepsutego miasta”. „Nowa Sodomo! Pośród twych kamieni/ Mnoży się zbrodnia bezwstydna widomie” – pisał Słowacki w wierszu „Paryż”. Poetę zachwyciła jednak paryska katedra:
„Patrz znów w mgłę miejską — oto wież ostatki,
Gotyckim kunsztem ukształcona ściana;
Rzekłbyś — że zmarła matka twojej matki,
W czarne, brabanckie korónki ubrana,
Z chmur się wychyla jak duch Ossyjana…
Ludzi nie dojrzysz… Lecz nad mgłami fali
Stoją posągi (gdzie płynie Sekwana),
Jakby się w Styksu łodzi zatrzymali
Przed piekła bramami we mgłach stoją biali…”.
Zafascynowany gotykiem francuskich katedr był także Stanisław Wyspiański. Co ciekawe jednak, znacznie bardziej podoba mu się katedra w Amiens, którą cenił za przetrwanie do jego czasów w niezmienionej średniowiecznej formie. „Całość, to nie koronki i dekoracyjność kobieca o wdzięcznych, wiotkich kształtach ujmujących (Rouen), ale potężna siła męska, zdrowa, nagła, żyjąca, surowa powagą, górująca namiętnością, porywająca. Notre-Dame (w Paryżu) mogłaby robić podobne wrażenie, gdyby nie była zeszpecona Violet-le-Duc’em [architekt i konserwator francuski; restaurował średniowieczne budowle – przyp. red.]” – podkreślał w liście do Lucjana Rydla w 1890 r. W tym czasie Notre-Dame szkicowało wielu innych polskich malarzy, m.in. Józef Mehoffer i Józef Pankiewicz.
Katedra nie została uszkodzona w trakcie I wojny światowej, gdy Paryż był ostrzeliwany przez wojska niemieckie. Niewielkie zniszczenia, głównie witraży, spowodowały walki w trakcie powstania paryskiego w sierpniu 1944 r. 26 sierpnia w katedrze odbyła się msza dziękczynna za wyzwolenie Paryża z udziałem stojącego na czele Wolnej Francji gen. Charles’a de Gaulle’a. W 1963 r. obchodzono jubileusz 800-lecia katedry. Z tej okazji po raz pierwszy przywrócono fasadzie oryginalny biały kolor. Siedem lat później była ona miejscem mszy w intencji zmarłego prezydenta Francji. Uroczystość z udziałem kilkudziesięciu głów państw była jednym z największych tego rodzaju zgromadzeń w dziejach zimnej wojny.
30 maja 1980 r. pierwszą mszę w katedrze odprawił papież Jan Paweł II. W swojej homilii krytykował odejście Francji od chrześcijaństwa i cywilizcję konsumpcyjną. Do Notre-Dame powrócił w 1997 r. przy okazji Światowych Dni Młodzieży. W 2014 r. w pobliżu katedry na skwerze papieża św. Jana XXIII odsłonięty został pomnik św. Jana Pawła II.
Katedra także w ostatnich latach była świadkiem wydarzeń, które nie miały precedensu w historii Kościoła. 5 sierpnia 2007 r. zmarł wieloletni arcybiskup Paryża kard. Jean-Marie Lustiger. Urodzony jako Aron Lustiger pochodził z rodziny polskich Żydów z okolic Będzina (wówczas w Królestwie Polskim), która na początku XX wieku wyemigrowała do Francji. W 1940 r., po wieloletniej fascynacji katolicyzmem, przyjął chrzest. Jego matka zginęła w 1943 r. w Auschwitz. W 2005 r. Lustiger wziął udział w obchodach 60. rocznicy wyzwolenia niemieckiego obozu zagłady. Przez całą posługę kardynalską zabiegał o rozwój dialogu między judaizmem a Kościołem.
Lustiger był wymieniany jako kandydat do objęcia tronu papieskiego po śmierci papieża Jana Pawła II. W 2006 r. z inicjatywy kard. Lustigera i władz Paryża dziedziniec Notre-Dame otrzymał nazwę placu Jana Pawła II. „To wielki dzień dla prawdy i dla honoru” – powiedział emerytowany arcybiskup Paryża podczas uroczystości odsłonięcia tablicy upamiętniającej polskiego papieża.
Mszę pogrzebową w Notre-Dame poprzedził kadisz za zmarłego kardynała, poprowadzony przez Arno Lustigera – kuzyna kardynała – a jego stryjeczny prawnuk przeczytał psalm i wysypał do stojącej na trumnie misy, zgodnie z wolą zmarłego, ziemię zebraną w Ogrodzie Oliwnym w Jerozolimie i obok Klasztoru Kuszenia koło Jerycha. Zgodnie z wolą kard. Lustigera przy jego trumnie napisano: „Moimi patronami byli arcykapłan Aaron, św. Jan – umiłowany uczeń i Matka Boża, Służebnica Słowa. Ja zaś otrzymałem wiarę, otrzymałem Chrzest, ale do końca pozostałem Żydem, jak wszyscy apostołowie”.
Kard. Jean Marie Lustiger był też znany ze swojego wsparcia dla „Solidarności” i Polaków, którzy po wprowadzeniu stanu wojennego znaleźli się w stolicy Francji. W Notre-Dame odbywały się msze za Polskę i „Solidarność”, część z nich była celebrowana przez kard. Lustigera. Wielu Polaków, którzy w latach osiemdziesiątych znaleźli się w Paryżu, wspomina mszę odprawioną po pojawieniu się nieprawdziwej informacji o śmierci internowanego przez władze reżim Tadeusza Mazowieckiego.
W 2018 r. w Notre-Dame umieszczono kopię jasnogórskiego wizerunku Matki Boskiej. Uroczyste wprowadzenie obrazu odbyło się 5 maja 2018 r. W ciągu kolejnych miesięcy prowadzono przygotowania do konsekracji polskiej kaplicy. 1 grudnia 2018 r. odbyło się jej uroczyste otwarcie. Kaplica pod wezwaniem Najświętszej Matki Boskiej Częstochowskiej i świętego Germana stała się pierwszą narodową kaplicą w paryskiej katedrze. Koncelebrujący mszę świętą abp Stanisław Gądecki przypomniał historyczne związki Paryża i Polski: „To tutaj przecież pracowała Wielka Emigracja. Tutaj rozkwitło polskie piśmiennictwo, publicystyka polityczna i wielka poezja romantyczna. Tutaj tworzyli w duchu umiłowania ojczyzny Adam Mickiewicz, Juliusz Słowacki, Zygmunt Krasiński, Cyprian Norwid. Tutaj rozbrzmiewała budząca ducha narodowego muzyka Fryderyka Chopina. Stąd przybyła do Polski w 1919 r. Błękitna Armia gen. Józefa Hallera”.