L’évêque Hugues de Morville entreprit la reconstruction de la cathédrale à partir des années 1210, peu de temps après le rattachement du duché de Normandie au royaume.
La nef fut rapidement achevée : il s’agissait pour l’architecte de rhabiller la nef romane, avec son élévation à trois niveaux : grandes arcades, tribunes (bouchées peu après leur construction) et fenêtres hautes, devant lesquelles passe une coursière. L’architecte a souligné le verticalisme de la nef en laissant filer les colonnes sans interruption du sol jusqu’aux retombées de la voûte.
Le chœur roman ayant été complètement rasé, rien ne gêna la construction du chœur gothique, achevé vers 1238. Il est entouré par des collatéraux et un double déambulatoire sur lequel s’ouvrent des chapelles rayonnantes.
Dans l’abside, l’architecte a adopté le parti normand des colonnes jumelles, qui permettent de dégager l’espace entre les arcades (comme au Mans ou à Bayeux). Au-dessus des grandes arcades, au profil très aigu, s’ouvrent les fenêtres hautes. Les deux déambulatoires s’ouvrent largement l’un sur l’autre, ainsi que sur les chapelles rayonnantes : l’architecte a réussi là une belle unité spatiale.
La façade se distingue par la mise en valeur des lignes verticales, soulignées par de nombreuses colonnettes très effilées, et culminant dans l’élancement des deux magnifiques flèches de pierre.
Depuis le square de l’évêché, on a la plus belle vue sur le chevet, dont l’effet pyramidal est clairement affirmé par l’étagement parfait des masses.
Le transept est dominé par la tour-lanterne qui, à l’intérieur, culmine à près de 41 mètres. Celle-ci, s’élève sur trois niveaux, en légère saillie l’un sur l’autre. L’octogone de la tour-lanterne est porté par quatre grands pendentifs logés dans les angles du carré du transept. Au-dessus de la voûte est ménagé un dernier étage destiné à recevoir un beffroi. A l’extérieur, cette construction d’une extrême élégance est calée par quatre tourelles reposant sur les énormes piles de la croisée.
Les chapelles latérales et la chapelle d’axe - la Circata - rajoutées aux XIIIe et XIVe siècle, ne perturbent guère l’extraordinaire harmonie qui se dégage de l’ensemble de l’édifice.
La cathédrale conserve un très bel ensemble de verrières des XIIIe et XVe siècles.