La cathédrale a été bâtie sur les fondations d'une chapelle construite par saint Saturnin, au iiie siècle, et reconstruite par saint Exupère, cent cinquante ans plus tard. Il est difficile de juger aujourd'hui en l'absence de fouilles. L'histoire de cette église est tellement émaillée de modifications, de rénovations et de reconstructions qu'on pourrait la surnommer la « cathédrale inachevée ». Jusqu'au xiiie siècle, les plans de l'église romane furent sans cesse modifiés. Ainsi, une révision de la hauteur prévue de l'édifice est visible par la coupe des fenêtres sur le mur sud, tandis que le mur nord, construit plus tard, ne présente pas cette anomalie. On reconnaîtra sur le mur occidental une rosace, directement inspirée de celle Notre-Dame de Paris. La principale originalité de l'édifice est de présenter deux parties très distinctes : une partie en style gothique méridional à l'arrière du vaisseau, la nef raimondine, et une partie en style gothique d'Île-de-France, ou gothique rayonnant, le chœur. Ces deux églises ont été reliées au xvie siècle par le futur cardinal Jean d'Orléans. Le chœur est deux fois plus large que la nef, si bien que l'allée centrale est en ligne brisée. Le mur roman sud a été prolongé par l'église gothique. Ce projet gigantesque a débuté en 1272, sous l'égide de l'évêque Bertrand-de-L'Isle. À l'instar de sa petite jumelle, l'église gothique a subi de nombreux ajouts, et a donné lieu à de nombreux projets, souvent abandonnés en cours de route.