הבנייה, שנעזרה בתרומות מכל רחבי צרפת, בהן מדוכסות אקוויטניה, החלה כמעט מיד לאחר ההרס, והשתמשה בתוכניות האדריכל הראשון (עדיין אלמוני) כדי לשמר את ההיבטים ההרמוניים של הקתדרלה. ההתלהבות מהפרויקט הייתה כה רבה, עד כי אנשים מהעיר התנדבו לאסוף אבנים ולהביאם מהמחצבות המקומיות, שהיו מרוחקות 8 ק"מ מהעיר. העבודות התחילו מן הספינה הראשית. ב-1220 הושלם המבנה הראשי, עם הקריפטה והשער המלכותי מאמצע המאה ה-12 ששרד את השרפה, ואלה שולבו במבנה החדש. מאז מותו של רנו השגיחו על הבנייה 5 בישופים ו-9 אדריכלים (רבי-בנאים). ב-17 באוקטובר/24 באוקטובר (מקורות שונים חלוקים על כך) 1260 נחנכה הקתדרלה על ידי לואי ה-9 מלך צרפת.
הקתדרלה הייתה המבנה החשוב ביותר בשארטר. היא הייתה המרכז הכלכלי, המונומנט המפורסם ביותר בעיר והמוקד של כמעט כל פעילות ציבורית. בימי הביניים תפקדו הקתדרלה וסביבתה כשוק, כאשר בשערים השונים מכרו סחורות שונות: טקסטיל בשער הצפוני, ירקות ובשר בשער הדרומי. לעיתים ניסו הכמרים למנוע מהמסחר להיכנס לתוך הקתדרלה, אך לשווא. על מוכרי יין נאסר למכור יין בקריפטה, אך הותר להם לסחור בספינה הראשית (אולם התווך) כדי להימנע ממסים שחלו אם סחרו בחוץ. בעלי מקצוע שונים, כגון נגרים ובנאים, התאספו בקתדרלה וחיפשו עבודה. בתוך הקתדרלה הותר למכור מזון. במהלך מגפת הארגוטיזם שימש האגף הצפוני של הקריפטה כבית חולים.
ב-1505 נשרף צריח העץ של המגדל הצפוני, וב-1513 הוא הוחלף בצריח אבן בסגנון Flamboyant. מאז לא נעשו שינויים משמעותיים בקתדרלה והיא נותרה פחות או יותר כפי שהייתה במאה ה-16.
ב-27 בפברואר 1594, בקתדרלה זו, נמשח אנרי הרביעי מלך צרפת למלוכה, היחיד מבין מלכי צרפת שלא נמשח בקתדרלה של ריימס. הקתדרלה שרדה את המהפכה הצרפתית ללא הרס או ביזה, והשחזורים הספורים שנעשו בה לא פגמו ביופייה רב-התהילה. היא המשיכה להוות סמל לניצחון האדריכלות והאמנות הגותית.
נפוליאון בונפרטה אמר על הקתדרלה הגותית בשארטר שהיא גורמת לאתאיסט לחוש שלא בנוח. ואילו האמן אוגוסט רודן קרא לה "האקרופוליס של צרפת".
ב-1979, בישיבה ה-3 של אונסק"ו, נוספה הקתדרלה הגותית בשארטר לרשימת אתרי מורשת עולמית של אונסק"ו.
ב-2010 כוסתה החזית המערבית בפיגומים לצורך עבודות אחזקה וניקוי. ב-2012 הוסרו הפיגומים מהחזית המערבית.
מבנה.
אדריכלות.
הקתדרלה בשארטר נחשבת ליצירת מופת של האדריכלות הגותית ובפרט לאחת הקתדרלות הראשונות שנבנו בסגנון גותי בשל (High Gothic). על קתדרלת שארטר ניתן לומר שבחים וסופרלטיבים רבים, ומעטים הם ההיסטוריונים של האדריכלות שלא כתבו על מעבריה המתנשאים, על חלונות הוויטראז' הכחולים שלה (רובם מקוריים מימי הביניים), על הסיתות הקפדני ועל הפיסול המגוון. היא ראויה למחמאות אלה, שכן שארטר היא אחת מהקתדרלות הגותיות הצרפתיות הגדולות והבולטות ביותר. מרחוק נראה כאילו היא מרחפת באוויר מעל שדות הקמה, ורק ממבט קרוב יותר ניתן לראות גם את יתר העיר, מקובצת סביב הגבעה שעליה מתנשאת הקתדרלה.
לקתדרלה שני מגדלים עם צריחים מחודדים, שבאופן נדיר אינם סימטריים ואינם זהים זה לזה: המגדל הדרומי בגובה 105 מטר בעל גג מצולע פשוט מהמאה ה-12, והמגדל הצפוני בגובה 113 מטר בעל צריח מחודד Flamboyant מהמאה ה-16 (נבנה בין השנים 1507 ל-1513). מגדלים אלה מתנשאים מעל הגג הירוק של הקתדרלה, ומסביבם רשת ענפה ומורכבת של תמיכות דואות בנות שלוש קומות.
תוכנית הקתדרלה היא בצורת צלב, עם ספינה ראשית בת שלושה אגפים באורך 128 מטר, טרנספט (בית רוחב) באורך 46 מטר מצפון לדרום, ובית מקהלה בן חמישה אגפים. הקצה המזרחי מעוגל, עם אמבולטוריום כפול שממנו בולטות קפלות חצי-עגולות. האמבולטוריום הכפול נועד כדי לשמור על תוכנית הקרקע של הקתדרלה של פולברט עם שלוש הקפלות מבלי להפוך את החלק המזרחי של הקתדרלה לחשוך, כפי שהייתה אצל פולברט. סביב האמבולטוריום הכפול פזורות קפלות בעומק רדוד ובכך מתאפשרת כניסת אור רב אל תוך החלק המזרחי של הקתדרלה הגותית.
הקתדרלה משתמשת באופן נרחב בתמיכות דואות (בנות שלוש קומות) כדי לתמוך בקמרונות הגבוהים, בזמנם הגבוהים ביותר בצרפת, שהתנשאו לגובה 37 מטר. לצידן, השתמש האדריכל בקירות לא-דקים ומסה של אבן-בנייה (מוסתרת) כדי להטות את העומס וכוחות הפישוק של הקמרונות הגבוהים כלפי מטה (במקום הצידה). הקתדרלה הגותית הגבוהה בשארטר, הבנויה בסגנון גותי בשל, השתמשה בקמרונות צלעות בעלי ארבע צלעות במרחב מלבני, ולא בקמרון סקספרטייט בעל שש צלעות כפי שהיה נהוג בקתדרלות רומנסקיות או גותיות מוקדמות כגון הקתדרלה בלאן (Laon). מערכת התמיכות השלדית, החל מעמודים וכלה בצלעות, אפשרה לשחרר חלק נרחב משטח הקירות בקתדרלה לחלונות ויטראז' ובנייה לגובה רב.
חידוש נוסף וחשוב היה החלפת מבנה הקיר מארבעה אזורים לשלושה בלבד: קומת הקשתות (ארקדה), קומת הטריפוריום וקומת התאורה (Clearstorey), שכללה זוגות של חלונות ויטראז' גדולים ובעלי קשת מחודדת מאוחדים בחלון עגול. קומת התאורה המוגדלת והגבוהה, הפכה לאלמנט מרכזי ומכונן בעיצוב הפנים של הקתדרלה, וסיפקה אור רב למבנה. החידוש שביצירת חלונות גדולים, מאוחדים בחלונות עגולים קטנים, אומץ מעתה ואילך גם בקתדרלות גותיות אחרות, בהן נוטרדאם דה פארי (בה שונה מבנה הקיר הגותי המוקדם מ-4 אזורים וחלון בודד ל-3 אזורים וזוג חלונות גדולים כמו בשארטר) וקתדרלת ריימס (שאימצה את השינוי גם עבור חלונות הספינות המשניות). האוֹמנוֹת הצרורות של העמודים מתנשאים בדרמטיות מבסיסים פשוטים לקשתות מחודדות גבוהות לעבר התקרה, ללא כותרות גדולות, ובכך מכוונות את המבט אל עבר החלונות של קומת התאורה באפסיס ויוצרות מגמת קיר אנכית.
רב-הבנאים של שארטר תכנן את הקתדרלה הגותית סביב פרופורציות הרמוניות (כגון 1:2, 2:3, 3:4, 4:5 וכו'), צורת הריבוע ויחס הזהב. פרופורציות אלה גזורות מהמוזיקה, הפילוסופיה הפיתגורית ומהתאולוגיה שהתפתחה באותה תקופה שראתה בפרופורציות אלה ביטוי לשלמות והרמוניה. בקתדרלת שארטר יש שימוש בעמודים עגולים ומתומנים לסירוגין המגדירים יחידה אחת ריבועית בעלת 2 מפרצים מלבנים. המפרצים בספינות המשניות ריבועיים.
תמיכות דואות.
קתדרלת שארטר מתאפיינת בתמיכות דואות מרשימות במיוחד. בכל צלע קיימות שלוש תמיכות דואות, זו מעל זו. תמיכות דואות תלת-קומתיות אינן דבר ייחודי לשארטר, וקיימות גם בקתדרלות נוספות כגון קתדרלת בורז' וקתדרלת לה-מאן, אך המאפיין הייחודי של התמיכות בקתדרלת שארטר הוא שתי התמיכות התחתונות, המחוברות ביניהן בעמודים קטנים שמלווים את קימור הקשת ומשנים את זוויתם (ראו איור). העמודים הקטנים, המחולקים לבסיס, גוף וכותרת כמו כל עמוד אדריכלי אחר, מוטים באלכסון על מנת להישאר ניצבים למשיק של כל אחת מהקשתות. אלמנט זה הוא ייחודי לקתדרלת שארטר, משום שהשימוש בעמודים אלכסוניים כמעט ולא קיים באדריכלות מתקופה זו. שתי התמיכות המחוברות תומכות יחדיו את לחץ הקמרון הפנימי, והתמיכה השלישית תומכת את קורות הגג. בספינה הראשית, כאמור, תומכות שלוש תמיכות דואות זו מעל זו. בבית המקהלה ובשווה נוספה תמיכה דואה לצד שתי התמיכות הדואות הנמוכות, שמכסה את האגפים החיצוניים של הקתדרלה. בנוסף, בעוד העמודונים בזוג התמיכות הדואות של הספינה הראשית מסתיימים בקשתות עגולות, העמודונים בתמיכות הדואות של בית המקהלה והשווה מסתיימים בקשתות מחודדות והם דקים יותר. קצה התמיכות אינו כולל צריחונים אשר מאפיינים קתדרלות גותיות רבות אחרות.
אמנות.
ויטראז'ים.
ברחבי הקתדרלה נשפכים צבעים חיים מתוך חלונות ויטראז' בני המאה ה-13, ומציפים את הרצפה. חלונות אלה ניצלו מהרס במלחמות הדת בצרפת במאה ה-16. על החלונות בשארטר נאמר שזהו האוסף השלם ביותר בעולם של ויטראז'ים מימי הביניים, למרות עבודות "מודרניזציה" שהתבצעו ב-1753 ושבהם הוסרו חלקם בידי כמורה בעלת כוונות טובות אך הדרכה רעה. מתוך 186 החלונות המקוריים, שרדו 152. חלונות הוויטראז' ידועים בעיקר בשל הגוון הכחול העז שלהם, בייחוד בייצוג של המדונה וילדהּ. צבע כחול זה ייחודי לשארטר ונוצר על פי הזמנה מיוחדת, הוא נקרא "כחול שארטר". הם גם מציגים את המריצה האירופית הראשונה. במהלך מלחמת העולם השנייה הוסרו מרבית החלונות מהקתדרלה ואוחסנו בכפרי הסביבה כדי להגן עליהם מן ההפצצות הגרמניות. בתום המלחמה הותקנו החלונות מחדש בקתדרלה.
חלק מהחלונות נתרמו על ידי משפחת המלוכה, כגון חלון הרוזטה בצפון הטרנספט, שנתרם על ידי המלכה הצרפתית בלאנש מקסטיליה. חלונות נתרמו בידי אנשים שונים, החל ממלכים ואצילים וכלה בסוחרים ובעלי מלאכה מקומיים. ההשפעה המלכותית ניכרת במספר חלונות מחודדים מלבניים שבהם מופיעים סימני המלוכה של פרח החבצלת הצהוב על רקע כחול (סמל בית קאפה), וכן טירה צהובה על רקע אדום (סמל קסטיליה).
שלושת החלונות בחזית המערבית עדיין הושפעו מאמנות הרומנסק וכן מהחלונות בבזיליקת סן-דני. החלון הימני (הצפוני) מתאר את אילן ישי - אילן היוחסין של ישו (בתחתית שוכב ישי וממנו יוצא גזע שעליו מלכי ישראל, מצדדיו הנביאים, ובקצה העליון מרים וישו), החלון השמאלי (הדרומי) מתאר את הפסיון של ישו, והחלון המרכזי את ילדותו של ישו. חלונות בני המאה ה-13 כבר היו גותיים באופיים. חלק מהם תיארו עלילות קדושים וחלק רמזו לפטרונים שתרמו אותם (מהמלוכה, האצולה, הגילדות ובעלי המלאכה).