Verdun adopte très tôt le christianisme : dès le 4e siècle, un premier lieu de culte s’élève ici. Au siècle suivant, une cathédrale occupe déjà l’emplacement actuel. Plusieurs destructions successives conduisent l’évêque Heimon à faire bâtir, vers 990, un nouvel édifice. Son plan, encore lisible aujourd’hui, présente deux chœurs, deux transepts et quatre tours ; il aurait inspiré les grandes basiliques rhénanes qui lui succèdent.
L’édifice évolue ensuite au rythme des besoins religieux et des styles architecturaux. Au 12e siècle, le chœur oriental roman, conçu par l’architecte Garin, est flanqué de deux portails, dont celui dit « du Lion », visible depuis l’extérieur. Aux 14e et 15e siècles, des chapelles gothiques viennent enrichir les bas-côtés. Puis, au début du 16e siècle, un cloître élégant de style flamboyant complète l’ensemble.
En 1755, un incendie ravage la cathédrale. La reconstruction adopte alors les formes sobres du classicisme du 18e siècle : la nef et les deux tours sont repensées, tandis que certains éléments plus anciens disparaissent derrière les nouveaux aménagements. Le décor intérieur mêle influences baroques venues de Rome et style rocaille français, perceptible notamment dans les stalles sculptées.
Touchée par les bombardements allemands, la cathédrale est restaurée après-guerre. En 1922, les travaux mettent au jour une crypte comblée depuis le 18e siècle. Le sculpteur Gaston Le Bourgeois réalise le décor de treize chapiteaux avec des scènes évoquant la vie des soldats durant la bataille de Verdun. L’édifice est classé au titre des monuments historiques
depuis 1906.