Erst während dieser letzten Phase entschloss man sich auch offenbar, den alten Westbau des Willigis zu ersetzen. Die Ausführung erfolgte von 1200 bis 1239 weitgehend im Stile der niederrheinischen Spätromanik und ist gleichzeitig eines der hervorragendsten Zeugnisse dieser Bauepoche. Zu erkennen ist dies vor allem an den sehr fein gestalteten und künstlerisch weit entwickelten Kapitellen und einer reicheren Verwendung von Baudekor, die im Laufe der Zeit den strengen Formen der Hochromanik Platz gemacht hatte. Während dieser Bauphase hatte in Frankreich längst das Zeitalter der Gotik begonnen. Der Westbau weist ein gotisches Charakteristikum auf, das nicht nur den spätromanischen Bauten in und um Köln fehlt, sondern auch den ersten frühgotischen Kathedralen Frankreichs: der polygonale Grundriss des Chors. Achteckige Türme gab es schon länger, aber oft in Verbindung mit runden Apsiden, Vgl. Mainzer Ostchor. Polygonale Raumgrenzen kamen der gotischen Vorliebe, in Kraftlinien zu bauen, wesentlich besser entgegen. Als weitere frühgotische Elemente finden sich am Westbau des Mainzer Doms Strebepfeiler, einige Spitzbögen und für die Romanik eher ungewöhnlich lange Fenster im Westchor.