Wznoszenie romańskiej świątyni rozpoczęto w 1010 roku w celu przechowywania relikwii Welonu Maryi Dziewicy. Z pierwotnej budowli zachowały się jedynie: krypta, południowa wieża, portal zachodni, a przede wszystkim relikwie Welonu Matki Bożej. W odbudowie świątyni brali udział wszyscy mieszkańcy Chartres. Zapał do odbudowy był tak duży, że nowa świątynia, w stylu gotyckim, została wzniesiona w ciągu dwudziestu pięciu lat. Po roku 1250 w kościele nie przeprowadzono już wielu zmian. W odróżnieniu od innych francuskich katedr nie ucierpiała w czasie rewolucji francuskiej i wojen religijnych. Przez znawców sztuki i teologii świątynia określana jest jako "Biblia wykuta w kamieniu".

Nawa katedry ma szerokość znajdującej się pod nią krypty romańskiej, natomiast wysoka jest na trzydzieści siedem metrów.

Krypta świątyni pochodzi z XI wieku i jest największą z wszystkich świątyń we Francji. Posiada dwie nawy, rzędy kaplic i grobowiec św. Lubina pochodzący także z XI wieku.

Górne kondygnacje wieży północnej datowane są na początek XVI wieku. Wieża zbudowana w stylu gotyckim wyraźnie kontrastuje z surowością romańskiej wieży południowej.

Dolna część zachodniej fasady świątyni pochodzi z wcześniejszego kościoła romańskiego.

Kaplica św. Piata powstała w latach 1324-1353. Mieszczą się w niej relikwie Welonu Matki Bożej oraz fragmenty XIII-wiecznego lektorium, zdemontowanego w 1763 roku.

Labirynt ułożony w posadzce świątyni liczy 262 metry i pochodzi z XIII wieku. Pielgrzymi w ramach pokuty, przebywali go na kolanach, powtarzając w ten sposób Drogę Krzyżową.

Witraże katedry w Chartres są znane na całym świecie, ufundowane zostały przez cechy na początku XIII wieku.

Warto wiedzieć!

• W ponad stu pięćdziesięciu oknach katedry w Chartres przedstawione są sceny biblijne oraz sceny z życia codziennego. Podczas I, jak i II wojny światowej witraże zostały zdemontowane i zabezpieczone przed zniszczeniem. Część z nich została odnowiona i zamontowana dopiero w latach siedemdziesiątych.
• Jeden z najciekawszych witraży to Drzewo Jessego. Pochodzi z XII wieku i ukazuje genealogię Syna Bożego. Innym pięknym witrażem ukazującym scenę z godów w Kanie Galilejskiej jest Błękitna Madonna. Natomiast w północnej rozecie katedry mieści się witraż przedstawiający Matkę Bożą z Dzieciątkiem w otoczeniu przodków Chrystusa i proroków.