C’est au Ve siècle que la première cathédrale aurait été bâtie à l’emplacement actuel. Après avoir subi des destructions dues aux troupes de Pépin le Bref puis aux Normands, elle fut reconstruite au VIIIe puis au Xe siècles. Une crypte construite à la jonction des Xe et XIe siècles subsiste sous la cathédrale actuelle ; si ses voûtes ont été partiellement détruites, elle conserve néanmoins des fresques du XIIe ou du XIIIe siècle et abrite deux sarcophages des IVe et/ou Ve siècles.
L’édification de la cathédrale actuelle débuta en 1248 dans le style gothique du nord, probablement sous la direction de Jean Deschamps. S’effectuant en pierre de Volvic, d’où la couleur noire caractéristique de l’édifice, la nouvelle construction remplaçait progressivement la cathédrale romane primitive. Pierre Deschamps, probable fils ou petit-fils de Jean, puis Pierre de Cébazat poursuivirent les travaux jusqu’au milieu du XIVe siècle.
La Révolution vit la destruction du jubé construit au XVe siècle et de trois des quatre tours surmontant les transepts, ainsi que la transformation temporaire de l’édifice en temple de la Raison puis de l’Être Suprême, comme le rappelle une inscription sur le portail nord. Après la destruction de la façade de la cathédrale romane, qui subsistait toujours, en 1851, une dernière grande phase de travaux fut menée entre 1866 et 1884 par Eugène Viollet-le-Duc puis Anatole de Baudot. Elle consista en l’édification des deux dernières travées de la nef ainsi que de la façade principale néogothique, surmontée de deux flèches et précédée d’un porche. Un escalier monumental fut ajouté ultérieurement en 1902.
La cathédrale conserve dans le chœur une remarquable série de vitraux des XIIe et XIIIe siècles, ainsi que des fragments de peintures murales du XIIIe au XVe siècles. D’autres vitraux par Félix Gaudin, Lucien Lachaize et Charles des Granges furent rajoutées dans la nef durant le dernier quart du XIe siècle, suivis de deux autres par Alain Makaraviez au revers de la façade principale en 1982 et 1992. On peut également observer dans le monument des statues, des tableaux ou encore un jacquemart du XVIe siècle.