Halverwege de 12de eeuw kende Parijs met een oppervlakte van zo’n 4 km² de grootste bevolking van de hele westelijke wereld: 270.000 inwoners. In 1145 gaf bisschop Maurice de Sully opdracht voor de bouw van de nieuwe bisschopskerk. In 1163 werd de eerste steen gelegd door paus Alexander III. In 1182 werd het koor ingewijd en in 1250 waren de westgevel en beide torens voltooid.
In 1804 kroonde Napoleon zich tot keizer in de Notre-Dame van Parijs, in aanwezigheid van paus Pius VII. Hij deed dit niet in de kathedraal van Reims, waar alle eerdere Franse koningen werden gekroond, omdat hij die te veel associeerde met het ancien régime.
Victor Hugo’s Notre-Dame de Paris (in het Nederlands bekend als De klokkenluider van de Notre-Dame) uit 1831 is meer dan een roman over een gebochelde klokkenluider; het is tevens een pamflet waarin hij de verknoeide schoonheid van de Parijse bisschopskerk aankloeg. Dat de gotische kerk stond te verpieteren, leek niemand te storen. Pas door de populariteit van Hugo’s roman werd het publiek zich opnieuw bewust van dat middeleeuwse erfgoed. Als gevolg hiervan kregen de architecten Jean-Baptiste Lassus en Eugène Viollet-le-Duc de opdracht zich over de restauratie te ontfermen. Viollet-le-Duc werkte 22 jaar met oog voor de kleinste details aan de restauratie.
Ook de stedenbouwkundige ingrepen van Georges-Eugène Haussmann in Parijs in de jaren 1850 droegen bij tot de herwaardering van Notre-Dame. Hij liet de middeleeuwse steegjes en gebouwen rond de kathedraal afbreken, waardoor de Notre-Dame helemaal alleen op de punt van het Île de la Cité kwam te staan, en zo van mijlenver kon worden bewonderd.
Op 15 april 2019 vernielde een brand de torenspits en grote delen van het dak van de kathedraal. Die avond werd door president Macron een restauratiefonds opgericht waaraan 340.000 donoren uit Frankrijk en de rest van de wereld bijdroegen. In enkele uren tijd werd 840 miljoen euro ingezameld.
Meer dan 2.000 mensen werkten tussen 2019 en 2024 aan de restauratie van de Notre-Dame.