La construction de la cathédrale gothique commence vers 1160. Le nouvel édifice remplace une autre église construite au même emplacement, dédiée à saint Étienne, le diacre martyr. Celle-ci était flanquée d’un baptistère de plan centré construit sur la pointe de l’île de la Cité. À compter du 9e siècle, une église dédiée à Notre-Dame apparaît dans les textes. Mais ce n’est pas encore la cathédrale mondialement connue que l’on admire aujourd’hui.
Le site est entièrement réorganisé à l’instigation de l’évêque Maurice de Sully (1160-1196) qui souhaite donner à la jeune capitale du royaume de France une cathédrale digne d’elle. Lors du séjour du pape Alexandre III à Paris (24 mars-25 avril 1163), les travaux du chœur ont déjà commencé et le maître-autel reçoit sa dédicace en 1182. À la mort de l’évêque, les travaux ont bien avancé et sont poursuivis par son successeur, Eudes de Sully (1197-1208), dont les liens familiaux avec les rois capétiens facilitent ses démarches : en 1208, on travaille aux portes et à la façade de la cathédrale. Les dimensions de cet édifice sont considérables : 130 mètres de longueur totale et 35 mètres de hauteur sous voûte dans la nef. Ce n’est qu’à partir des années 1250-1260 qu’est édifié le transept débordant actuel. Le bras sud du transept est construit sous la direction de Jean de Chelles jusqu’à sa mort en 1258 ; Pierre de Montreuil lui succède pour la construction du bras nord dans les années 1260. Suite à l’adjonction de petites chapelles nichées entre les contreforts de la nef à partir du milieu du 13e siècle , le caractère saillant du transept est atténué.
Une grande partie des sculptures qui ornaient originellement Notre-Dame ont aujourd’hui disparu. Cependant, nombre d’entre elles ont été retrouvées et sont exposées au musée de Cluny. Elles proviennent de différentes parties de la cathédrale.
Il faut en effet revenir sur des épisodes destructeurs qui expliquent la dispersion de ces fragments, à commencer par la mutilation du portail central de la façade occidentale, dont les linteaux et le tympan sont percés en 1771 d’un grand arc par Jacques-Germain Soufflot (1713-1780), chargé d'adapter la porte aux nouveaux usages liturgiques processionnels. Les événements les plus radicaux datent de la Révolution française, au cours de laquelle de nombreuses statues sont mutilées, particulièrement celles de la galerie des rois, mises à bas sur le parvis de la cathédrale en 1793. Plus tard, divers fragments sont déposés par le préfet Rambuteau sur la suggestion d’Albert Lenoir dans ce qui est encore le dépôt lapidaire de la Ville de Paris, à savoir le frigidarium des anciens thermes romains aujourd’hui intégrés au musée de Cluny. Ces pièces font partie du fonds du musée dès sa création en 1843.
Les remaniements menés par Eugène Viollet-le-Duc de 1844 à 1854 ont aussi largement modifié l’aspect d’ensemble de la cathédrale. Les parties hautes de la façade occidentale notamment ont été transformées par la restauration de la galerie des rois de Juda et de la balustrade qui la couronne. Le remplacement de toutes les gargouilles et l'invention des chimères de la cathédrale n’est que la partie la plus visible et la plus célèbre des ces transformations du 19e siècle.
Le chantier de Notre-Dame de Paris constitue un moment clef pour la sculpture gothique et, durant près d’un siècle, des artisans de toute l’Europe y trouvent leur source d’inspiration et viennent y travailler. Les œuvres témoignent d’une connaissance de la sculpture antique, tant du point de vue des attitudes et des gestes que du traitement des visages ou des drapés. Une sensibilité nouvelle se fait jour : les personnages esquissent des sourires dont on trouvera l'écho vingt ans plus tard à Reims ; l’anecdote est bannie des compositions, qui s’organisent avec une rigueur toute nouvelle.
La façade occidentale est rythmée par trois portails, dont celui de droite, le portail Sainte-Anne, est un remploi provenant de l’ancienne cathédrale Saint-Étienne : il est consacré à la Vierge et date des années 1140-1150. On a complété ses sculptures lors de son insertion dans la nouvelle façade au cours des années 1210. Sur le tympan se tient la Vierge en majesté portant l’Enfant tandis que se déploient les scènes de la vie de Marie sur le linteau. Le trumeau avec la figure de saint Marcel mais aussi plusieurs statues-colonnes des piédroits représentant saint Pierre et des rois et reines de l'Ancien Testament, se trouvent aujourd'hui au musée de Cluny.
Le portail central, dédié au Christ, a été sculpté vers 1210-1220, hormis quelques éléments ajoutés vers 1240 : le Christ et l’ange aux clous du tympan ou la partie gauche du linteau inférieur par exemple. Le musée de Cluny conserve quatre fragments d’origine des deux linteaux démantelés par Soufflot, ainsi que des morceaux de corps, draperies, éléments d’architecture. Le linteau supérieur représente la pesée des âmes et la sélection des élus et des damnés, et le linteau inférieur la résurrection des morts. On observe une grande différence de style entre ces différents éléments : deux manières sont clairement identifiables. Il est possible que l’œuvre ait été remaniée dans les années 1230, ce qui expliquerait cette différence. Mais cette explication n’est pas entièrement satisfaisante, car l’idée d’un remaniement partiel, d’une restauration en somme, en plein 13e siècle, est surprenante. Il pourrait tout aussi bien s’agir d’une collaboration de deux artistes, l'un se distinguant de l'autre par son style novateur, ou encore de l’expression d’une commande précise.
Quant au portail de gauche, il est également consacré à la Vierge et à son Couronnement, représenté au tympan. Le musée de Cluny conserve des éléments de draperies et des têtes provenant de cet ensemble.
L'un des temps forts de la collection du musée d’un point de vue historique aussi bien qu’artistique est la série des têtes des rois de Juda, provenant d'une galerie située au-dessus des portails de la façade occidentale. S’il n’en reste aujourd’hui que vingt-et-une, la série en comptait à l’origine vingt-huit. Comme beaucoup d’autres éléments de la statuaire de Notre-Dame, les rois de Juda ont été vandalisés durant la Révolution. Ces statues ont en effet été interprétées dès le début du 18e siècle comme une généalogie des rois de France. Aujourd’hui, on s’accorde à dire qu’il s’agit également des représentations des rois de Juda, royaume voisin de celui d'Israël, d’où leur nom actuel de rois de Juda.
Le sort immédiat des statues mutilées en 1793 nous est inconnu. Si certaines réapparaissent au cours du 19e siècle (comme les statues des ébrasements du portail sud du transept, réutilisées en tant que bornes), il faut attendre 1977 et les travaux de réfection du siège de la Banque française du commerce extérieur (BFCE), l’hôtel Moreau, au 20 rue de la Chaussée-d’Antin dans le 9e arrondissement, pour que l’essentiel des éléments qui constituaient la galerie des Rois soit redécouvert. Pas moins de trois cent fragments y avaient été remployés dans les fondations des communs. Ils ont été offerts par la BFCE au musée de Cluny en 1980. Leur intérêt vient en partie du fait qu’on peut y observer des traces de la polychromie médiévale.
Un nouveau changement de style s’observe avec l’arrivée de Pierre de Montreuil, chargé de la construction et du décor du bras sud du transept à partir de 1258. Avant lui, Jean de Chelles avait déjà restructuré l’ensemble du bras nord, privilégiant des dynamiques horizontales fidèles au parti d’origine. Pierre de Montreuil au contraire propose un élan vertical plus marqué qui s’achève par la flèche élevée à la croisée. Les sculptures du portail nord ont disparu dans une large proportion mais, grâce aux documents et aux éléments conservés (le tympan représentant le miracle de Théophile, le linteau avec des scènes de l'Enfance du Christ, la Vierge à l'Enfant du trumeau), il est possible de se faire une idée du programme. De part et d’autre du portail, les contreforts étaient ornés de figurations des Rois mages (dont on conserve de beaux fragments de corps et de têtes au Musée de Cluny) ainsi que des vertus théologales, thème rare à cette échelle monumentale. Une tête de vertu théologale notamment, ainsi qu’une remarquable tête de Roi mage, remployées dans les fondations de l’hôtel Moreau, ont été découvertes en 1977 lors des travaux de la BFCE.
Le portail sud ne conserve aussi que peu d'éléments originels : le tympan, représentant le martyre de saint Étienne, patron de la cathédrale précédente, et la statue de ce saint au trumeau. Les apôtres se tenaient à ses côtés, dans les ébrasements. Les statues placées en retour des piédroits ont aussi été identifiées, pour certaines, et il s’agirait des saints Marcel et Germain, de saint Denis, de ses disciples Rustique et Eleuthère, ainsi que des prophètes Moïse et Aaron. On a retrouvé douze de ces treize statues en 1839 rue de la Santé.
Pierre de Montreuil fait appel à une nouvelle équipe de sculpteurs qui œuvre également au jubé tendu entre les piles orientales de la croisée, représentant des scènes de la Passion du Christ. Détruit à la fin du 17e siècle, il était prolongé par la clôture de chœur qui subsiste partiellement. On conserve quelques fragments du jubé, déposés au Louvre (La Descente aux Limbes, Département des Sculptures) ou des fragments de la grande composition installée au revers de la façade du bras sud du transept, déposés au musée de Cluny, qui révèlent l’attention anatomique des sculpteurs, produisant des œuvres non dénuées d’une certaine sensualité. L’Adam (vers 1260, hauteur 2 m) et l'Ève, aujourd'hui disparue, qui l'accompagnait autrefois encadraient des anges porteurs des instruments de la Passion et sonneurs de trompes et le Christ du Jugement dernier. L’Adam , le seul élément qui subsiste de ce groupe monumental , est considéré comme l’un des plus beaux nus de l’époque gothique.