บันทึกที่เก่าแก่ที่สุดเกี่ยวกับการก่อสร้างมหาวิหารในออร์เลอ็องส์คือในปี ค.ศ. 330 ซึ่งในขณะนั้นยังคงเรียกว่าAurelianumตามชื่อของนักบุญ Euverte แห่งออร์เลอ็องส์บิชอปโรมันในศตวรรษที่ 4 ^{[ 6 ]}อย่างไรก็ตาม หลักฐานทางโบราณคดีชี้ให้เห็นว่าสถานที่แห่งนี้อาจเป็นที่ตั้งของวิหารโรมันนอกรีตที่เก่าแก่กว่านั้น ซึ่งมีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่ 1 หลังจากที่ศาสนาคริสต์แพร่กระจายไปทั่วจักรวรรดิโรมันกล่าวกันว่าคริสตจักรได้รับเงินสนับสนุนสำหรับการก่อสร้างเพิ่มเติมจากจักรพรรดิคอนสแตนตินและชิ้นส่วนของไม้กางเขนแท้ที่ค้นพบในเยรูซาเลมมหาวิหารไม่ได้รับผลกระทบโดยตรงจากการล้อมเมืองโดยอัตติลา เดอะ ฮันในปี ค.ศ. 451 และต่อมาการล่มสลายของกรุงโรมเอง และแม้จะถูกปล้นโดยชาวนอร์มันในปี ค.ศ. 865 โครงสร้างก็ยังคงได้รับการปรับปรุงและขยายต่อไป^{[ 7 ]}ในเวลานี้ มหาวิหารมีขนาดใหญ่พอที่จะใช้เป็นสถานที่ประกอบพิธีราชาภิเษกของกษัตริย์ได้ รวมถึงชาร์ลส์ผู้หัวล้านในปี 848 และกษัตริย์โอโดในปี 888 ^{[ 8 ]}

หลังจากที่เมืองส่วนใหญ่รวมถึงมหาวิหารถูกทำลายด้วยไฟไหม้ในปี 989 ฮิวจ์ กาเปต์และโรเบิร์ตผู้เคร่งศาสนา บุตรชายของเขา ได้ดูแลให้บิชอปอาร์นูลที่ 1มีเงินทุนเพียงพอสำหรับการสร้างมหาวิหารขึ้นใหม่^{[ 9 ]}โครงสร้างนี้สร้างเสร็จในปี 1000 และสร้างขึ้นใน สไตล์ โรมาเนสก์ด้วยการเพิ่มหอระฆังสองแห่งในปี 1108 มหาวิหารจึงกลายเป็นมหาวิหารที่ใหญ่ที่สุดในฝรั่งเศสในปีเดียวกันนั้นเองพระเจ้าหลุยส์ที่ 6 แห่งฝรั่งเศสก็ได้รับการสวมมงกุฎภายในมหาวิหาร^{[ 10 ]}ในขณะเดียวกันกับที่โรเบิร์ตผู้เคร่งศาสนากำลังสร้างโบสถ์แซงต์-ไอญอง ที่อยู่ใกล้เคียง ขึ้นใหม่ ก็มีการติดตั้งคณะนักร้องประสานเสียงใหม่ในสไตล์โรมาเนสก์ยุคต้นเดียวกัน ซึ่งมีทางเดินรอบและโบสถ์ย่อยสามแห่งที่แผ่รัศมีออกไป และเป็นส่วนโค้งเพียงส่วนเดียวของมหาวิหารโรมาเนส ก์ ^{[ 11 ]}ในช่วงศตวรรษที่ 11 มหาวิหารแห่งนี้กลายเป็นจุดพักสำหรับคริสเตียนที่เดินทางไปแสวงบุญที่ซานติอาโก เดอ คอมโพสเตลา

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 13 ความไม่เสถียรของโครงสร้างนำไปสู่การพังทลายของส่วนโค้งและภายนอกบางส่วนสองครั้ง และโรเบิร์ต เดอ กูร์เตเนย์ได้ สั่งให้สร้างโบสถ์ขึ้นใหม่ทั้งหมด ^{[ 12 ]} อย่างไรก็ตาม เนื่องจากต้องติดตามพระเจ้าหลุยส์ที่ 9ไปทำสงครามครูเสด เขาจึงมอบอาคารนี้ให้กับผู้สืบทอดตำแหน่งของเขาคือ จิลส์ ปาสเต ซึ่งได้วางศิลาฤกษ์ในวันที่ 11 กันยายน ค.ศ. 1288 หอคอยเก่าของด้านหน้าอาคารยังคงอยู่ แต่โครงสร้างถูกสร้างขึ้นบนระดับที่สูงกว่าโบสถ์เดิมและขยายออกไปไกลกว่าเดิมทั้งสี่ด้าน นอกจากการปรับเปลี่ยนนี้แล้ว มหาวิหารยังได้รับการสร้างใหม่ใน สไตล์ โกธิกแบบเรย์อองนองต์คล้ายกับ มหาวิหาร นอเทรอดามแห่งปารีสและมหาวิหารอาเมียงในระหว่างการปิดล้อมเมืองออร์เลอ็องโดยกองกำลังอังกฤษในปี ค.ศ. 1429 โจนออฟอาร์กได้มาเยี่ยมและอธิษฐานในมหาวิหารขณะอยู่ในเมืองเพื่อขอให้ยกเลิกการปิดล้อม^{[ 13 ]}หลังสงครามร้อยปีงานก่อสร้างก็กลับมาดำเนินต่อ และมหาวิหารก็สร้างเสร็จในปี 1530 ซึ่งนับเป็น 243 ปีหลังจากเริ่มการก่อสร้าง ในช่วงสงครามศาสนามหาวิหารถูกปล้นสะดมในปี 1562 ในเวลาเดียวกับโบสถ์อื่นๆ ในเมืองออร์เลอ็อง และในปี 1568 อาคารได้รับความเสียหายอย่างหนักจากพวกโปรเตสแตนต์ฮิวเกนอตซึ่งทำลายยอดแหลมและซุ้มประตูในยุคกลาง^{[ 14 ]}

หลังจากมีการลงนามในพระราชกฤษฎีกาแห่งน็องต์ในปี 1598 พระเจ้าเฮนรีที่ 4 แห่งฝรั่งเศสทรงมีพระราชดำรัสให้เริ่มโครงการบูรณะมหาวิหารใหม่ทั้งหมด การก่อสร้างเริ่มขึ้นทันทีในปี 1601 โดยมาเรีย เด เมดิชีเป็น ผู้วางศิลาฤกษ์ ^{[ 15 ]}โครงสร้างส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นใหม่ในลักษณะเดียวกับของเดิม อย่างไรก็ตาม ส่วนเพิ่มเติมใหม่ที่โดดเด่น ได้แก่ค้ำยันลอย เพดานโค้งของปีกโบสถ์และการแทนที่ส่วนหน้าอาคารแบบโกธิกเก่าด้วยการผสมผสานระหว่างสไตล์โกธิกอิตาลีและคลาสสิก นอกจากนี้ การรื้อถอนทางเข้าหลักยังเป็นการกำจัดส่วนสุดท้ายที่เหลืออยู่ของมหาวิหารโรมันดั้งเดิม ในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 หอคอยแบบโรมาเนสก์ถูกแทนที่ด้วยหอระฆังที่โอ่อ่ากว่าที่เห็นในปัจจุบัน และหอคอยหลักเหนือทางแยกของปีกโบสถ์ถูกแทนที่ด้วยยอดแหลมแบบโกธิก ที่เพรียวบาง มหาวิหารแห่งนี้ได้รับการประกอบพิธีศักดิ์สิทธิ์โดยพระเจ้าชาร์ลส์ที่ 10ในปี ค.ศ. 1829 เกือบ 600 ปีหลังจากการสร้างเสร็จสมบูรณ์ และแม้ว่าจะทำหน้าที่เป็นมหาวิหารแบบโกธิก แต่มหาวิหารออร์เลอ็องก็ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นมหาวิหารโดยสมเด็จพระสันตะปาปาปิอุสที่ 9 [ ^{16 ] แตก}ต่างจากมหาวิหารอื่นๆ ทั่วฝรั่งเศสในเวลานั้น มหาวิหารแห่งนี้ได้รับความเสียหายเพียงเล็กน้อยในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1แต่ได้รับความเสียหายอย่างหนักในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2โดยเริ่มจากปืนใหญ่ของกองกำลังเยอรมันในระหว่างยุทธการที่ฝรั่งเศส จากนั้นก็ได้รับความเสียหาย จากการทิ้งระเบิดของฝ่ายสัมพันธมิตรในภายหลังอย่างไรก็ตาม งานบูรณะครั้งใหญ่ได้เริ่มต้นขึ้นหลังสงคราม และยังคงดำเนินต่อไปจนถึงปัจจุบัน

มหาวิหารออร์เลอ็องมีออร์แกนสองตัว ได้แก่ ออร์แกนขนาดใหญ่เหนือทางเข้า และออร์แกนสำหรับคณะนักร้องประสานเสียงขนาดเล็กกว่า ออร์แกนทั้งสองได้รับการจัดให้เป็นอนุสรณ์สถานแห่งชาติและได้รับการบูรณะอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่ติดตั้ง ออร์แกนขนาดใหญ่เหนือทางเข้าซึ่งติดตั้งในปี 1880 เป็นหนึ่งใน ออร์แกน Cavaillé-Coll ขนาดใหญ่ไม่กี่ แห่งในฝรั่งเศสที่ไม่มีการเพิ่มเติม เปลี่ยนแปลง หรือออกแบบใหม่ใดๆ ออร์แกนขนาดใหญ่ได้รับการกำหนดให้เป็นอนุสรณ์สถานทางประวัติศาสตร์ในปี 1973 ตามรายงานของ Marie-Claire Alain ซึ่งอธิบายว่าเป็น "ตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบและแท้จริงของผลงานของ Cavaillé-Coll" ^{[ 17 ]}ออร์แกนในบริเวณแท่นบูชาซึ่งมีขนาดเล็กกว่ามากก็สร้างโดย Cavaillé-Coll ในปี 1846 และได้รับการสร้างใหม่ในปี 1996

ด้านหน้าฝั่งตะวันตกของมหาวิหารโดดเด่นด้วยประตูทางเข้าสามบานที่แกะสลักอย่างประณีต หน้าต่างทรงกลม และหอคอยสองแห่งที่สมมาตรกัน โดยจุดที่สูงที่สุดของมหาวิหารคือหอระฆังซึ่งสูงถึง 114 เมตร และหอคอยแต่ละแห่งสูง 88 เมตร ด้านหน้าอาคารเป็นไปตาม สไตล์ โกธิคแบบเฟื่องฟู (Flamboyant Gothic ) และโดดเด่นด้วยลวดลายประดับประดา หน้าจั่วประดับ และการเน้นความสูงอย่างชัดเจน ประตูทางเข้าตกแต่งด้วยภาพเหตุการณ์ในพระคัมภีร์และนักบุญ รวมถึงการอ้างอิงถึงโจนออฟอาร์ค

ด้วยอิทธิพลจาก สถาปัตยกรรมโกธิกแบบ เรย์องนองต์ (Rayonnant Gothic) ในยุคก่อน หน้า โครงสร้างของมหาวิหารแห่งนี้จึงมีลักษณะเด่นคือทางเดินกลางที่กว้างกว่าปกติ โดยมีห้าช่องทางเดิน เมื่อเทียบกับมหาวิหารอื่นๆ เช่นอาเมียงส์ (Amiens)หรือแร็งส์ (Reims)และเป็นหนึ่งในทางเดินกลางที่กว้างที่สุดในฝรั่งเศส นอกจากนี้ เพดานโค้งแบบมีซี่โครง ซุ้มโค้งแหลม และเสาแบบดั้งเดิม ยังเน้นความสูงและสร้างความรู้สึกโปร่งโล่ง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของสุนทรียศาสตร์แบบโกธิก

บริเวณร้องเพลงและที่นั่งชม ซึ่งออกแบบโดยJacques Gabrielและ Jules Degoullons ในศตวรรษที่ 18 นั้น ล้อมรอบด้วยทางเดินรอบโบสถ์ สองชั้น ทำให้ผู้แสวงบุญสามารถเดินสัญจรและเข้าถึงโบสถ์น้อยที่แผ่ขยายออกไปได้^{[ 18 ]}แท่นบูชาและเครื่องตกแต่งบริเวณร้องเพลงผสมผสานองค์ประกอบการฟื้นฟูสถาปัตยกรรมโกธิกที่นำมาใช้ในช่วงการบูรณะในศตวรรษที่ 19 ส่วนโค้งด้านหลังของมหาวิหารแยกออกเป็นโบสถ์น้อย 13 แห่ง แต่ละแห่งอุทิศให้กับนักบุญและกษัตริย์ต่างๆ รวมถึงนักบุญหลุยส์และพระเจ้าหลุยส์ที่ 9 โบสถ์น้อยหลายแห่งมีภาพวาดที่งดงาม และที่แปลกคือมีรูปศีรษะมนุษย์อยู่บนหินหัวเสาเพดาน ซึ่งเป็นลักษณะที่พบเห็นได้ในมหาวิหารนอเทรอดามแห่งปารีสเช่นกัน^{[ 19 ]}

เนื่องจากความเสียหายจากสงครามโลกครั้งที่สองและสงครามศาสนา กระจกสีส่วนใหญ่ของมหาวิหาร ยกเว้นหน้าต่างกุหลาบ มีอายุตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 หน้าต่างหลายบานเป็นไปตามรูปแบบโกธิกแบบดั้งเดิม เช่น ฉากจากพันธสัญญาเดิมและพันธสัญญาใหม่ รวมถึงการประสูติการตรึงกางเขน การฟื้นคืนพระชนม์ของพระคริสต์และชีวิตของนักบุญและอัครสาวกต่างๆ หน้าต่างกระจกสี 10 บานในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ยังบอกเล่าเรื่องราวของโจนออฟอาร์กตามความเชื่อของคริสตจักร^{[ 20 ]}ส่วนปีกของมหาวิหารมีหน้าต่างกุหลาบ ขนาดใหญ่ ที่ปลายทั้งสองข้าง ซึ่งแสดงภาพดวงอาทิตย์ของราชวงศ์ในขณะที่ขึ้นสูงสุดทางด้านทิศใต้และดวงอาทิตย์ที่กำลังตกทางด้านทิศเหนือ หน้าต่างทั้งสองบานซึ่งเติมเต็มในปี 1679 จึงถูกสร้างขึ้นเพื่อเป็นตัวแทนของพระเจ้าห ลุยส์ที่ 14 แห่งพระเจ้าหลุยส์ที่ 14