Situada a l’Île de la Cité, la construcció començà a la segona meitat del segle XII, a iniciativa de l’arquebisbe Maurice de Sully, sota el regnat de Lluís VII; el papa Alexandre III posà la primera pedra el 1163. L’altar major fou consagrat el 1189 i la nau i la façana principal foren acabades al segle XIII. Des d’aleshores s’hi han afegit o modificat diversos elements (capelles a l’interior, finestrals i arcbotants, etc.), tot i que aquests elements no han afectat substancialment el gòtic original predominant, estil del qual és una de les mostres arquitectòniques més notables.
L’edifici s’alça sobre una planta de creu llatina de 127 m per 48 m, amb una alçària fins al sostre de la nau de 35 m; consta d’un cor, una nau principal amb dues de col·laterals flanquejades per capelles que es prolonguen en un doble deambulatori i un absis semicircular. Dominen la façana oest (entrada principal, amb el portal del Judici Final) dues grans torres del primer gòtic, de 68 m. Dels elements constructius sobresurten els arcbotants de la capçalera, la façana nord i el portal del campanar, i dels decoratius els tres grans rosetons, les figures dels reis de l’Antic Testament als portals de les torres i les gàrgoles i les quimeres de la teulada.
A l’interior s’hi conserva l’anomenat tresor de Notre-Dame, que conté la túnica de lli de Lluís IX el Sant, del segle XIII, i diverses suposades relíquies de la passió de Crist. Durant la Revolució Francesa i els anys immediatament posteriors, nombrosos elements de l’interior (entre els quals hi havia les imatges dels sants) foren objecte d’actes vandàlics. Més endavant la catedral fou sotmesa a diversos treballs de restauració, entre els quals destaquen els empresos per Eugène Viollet-le-Duc a mitjan segle XIX. Hi destaca l’agulla central de 96 m d’alçària que substituí l’original.
Símbol de la cultura europea i, molt especialment, de la identitat i la història de França, és considerada oficialment el centre de París i el punt de referència geogràfic de tot l’Estat francès. La novel·la històrica de Victor Hugo Notre-Dame de Paris (1831) contribuí en bona mesura a la celebritat de l’edifici. Fou també un centre destacat en el desenvolupament de la polifonia. Ha estat escenari d’episodis centrals de la història de França: les coronacions d’Enric VI d’Anglaterra com a rei de França durant la guerra dels Cent anys (1431) i de Napoleó com a emperador (1804), l’inici de la rehabilitació de Joana d’Arc (1456) i la seva beatificació (1909). L’any 2015 s’hi celebrà la missa en homenatge de les víctimes dels atemptats del 13 de novembre. Des del 1905 és propietat pública, i l’Estat la cedeix a l’Església catòlica per a la celebració d’oficis. Els dies 15 i 16 d’abril de 2019 un gran incendi destruí uns dos terços de la catedral, principalment l’agulla, la coberta i la nau transversal nord.