Existen indicios de que el lugar donde se asienta la actual catedral fue siempre un lugar de culto a la Madre Tierra, ya desde la época druídica, aunque no existen pruebas fehacientes que lo confirmen

Esta primera iglesia del siglo IV fue quemada por uno de los duques de Aquitania en el siglo VIII y sobre ella se levantó otra que también desapareció en un incendio, esta vez provocado por piratas daneses en el siglo IX. De nuevo el templo fue reconstruido y de nuevo volvió a ser destruido por otro incendio, esta vez en el año 1020. De este último templo se conserva la cripta o capilla de San Lubin y que estaba iluminada por 5 ventanas, hoy en día tapiadas por las construcciones posteriores pero que pueden verse en la visita de la cripta.
En la época de este incendio del siglo XI gobernaba la diócesis de Chartres el obispo Fulberto que inició inmediatamente la construcción de una nueva catedral sobre los restos de la antigua, para ello tuvo que apelar a la generosidad del rey y a la del pueblo y los peregrinos. Este aprovechamiento de la antigua iglesia condiciona las medidas y la orientación de la nueva catedral de Chartres pues debe atenerse a lo ya construido con anterioridad. La nueva catedral medía 108 metros de largo por 34 metros de ancho.
Parece que la mala suerte perseguía a este templo pues, de nuevo, en el año 1134 un incendio devoró parte del pueblo y dañó la fachada del nuevo edificio. Las obras continuaron inmediatamente y se inició la construcción de la torre norte que se terminó hacia el año 1150 al mismo tiempo que se construía la torre sur, de gran belleza y que se terminó de levantar en 1160.
De nuevo otro incendio devoró la iglesia, esta vez en el año 1194 y de noche. De esta basílica solo quedaron en pie la cripta, las torres y la fachada recién construida.
Lo peor de todo fue que “la camisa de la Virgen”, su más preciado tesoro desapareció entre las cenizas. Cundió el desánimo entre los habitantes de Chartres pero la milagrosa aparición del mismo, intacto entre las ruinas, redobló la devoción y el entusiasmo de todos y gracias a las aportaciones de reyes y nobles, artesanos y labriegos, peregrinos, comerciantes y al trabajo ofrecido de forma gratuita por todos se reiniciaron las obras y se concluyeron en el año 1260.
Más tarde, en 1326 y en la cabecera de la iglesia se construyó la capilla de San Piat, preciosa capilla gótica que conserva valiosos vitrales de los siglos XIV al XVI, pero que altera las proporciones originales del templo.
Posteriormente se añadió otra capilla más, esta de estilo gótico flamígero ya en 1417, ofrenda de Luis de Borbón, conde de Vincennes y que altera todavía más el trazado original del templo.
Durante la Revolución Francesa el templo es dedicado a la diosa Razón, la reliquia es profanada y rota, la antigua talla de Nuestra Señora de Bajo Tierra es quemada pero, milagrosamente, los vitrales, en su mayor parte, no sufren desperfectos.
La catedral vuelve a consagrarse ya a mediados del siglo XIX y se reanudan las peregrinaciones.
En las épocas negras de las guerras mundiales los vecinos desmontaron los vitrales y estos fueron escondidos en sitios seguros y a resguardo de las bombas.
Durante la Segunda Guerra Mundial los aliados entraron en el pueblo en su camino hacia París y el mando decidió bombardear la catedral pues en sus altas torres podían esconderse los alemanes y hacer grandes estragos entre las fuerzas aliadas. El heroísmo de un soldado americano (horrorizado ante la posibilidad de destruir tanta belleza) que se ofreció voluntario para inspeccionar el lugar y comprobar la existencia o no de peligro salvó la catedral, pues pudo comprobar que no había tropas escondidas


