, daha önceden en azından savaş ya da yangın nedeniyle yokolmuş beş ayrı katedral inşa edilmiştir. 858 yılında şehre saldıran Danlar tarafından yokedilen ilk kiliseden günümüze hiçbir şey kalmamıştır. Bunun üzerine kurulmuş olan Karolenj dönemi kiliseden tek kalan günümüzdeki yarım kubbenin merkezinin tam altında yer alan yarı dairesel odadır. Leobinus kripti (6. yüzyılın ortalarından Chartres piskoposu) adı verilen bu oda bodrumun geri kalan kısmından daha aşağıdadır ve kilisenin Meryem'e adanmasından önce yöresel bir aziz için kullanılan bir ibadet yeri olduğu düşünülmektedir. Yıllıklarda 962 yılında başka bir yangın olduğundan sözedilir ancak bunun ardından nasıl bir yapı kurulduğunun bilgisi yoktur. 1020 yılında oluşan daha önemli bir yangından sonra 1006 ila 1028 yılları arasında piskoposluk yapmış olan Piskopos Fulbert tarafından tamamen yeni bir binanın inşasına başlanır. Fransa'nın en geniş kilise bodrumu olan günümüzde yapının bodrumu o dönemden kalmadır. Yeniden inşa süreci dönemler hâlinde yüz yıl boyunca devam etti.

1134 yılında başka bir yangın şehre ve muhtemelen katedralin bazı bölümlerine zarar verdi. Kuzey çan kulesi bu yangından sonra inşa edilmeye başlanmıştır. Güney çan kulesi ise daha sonra inşa edilmiştir. İnşaatın başlangıcından itibaren bu iki çan kulesinin bir çeşit merkezi bir cephenin ve narteksin yanlarında olması hedeflenmiştir. Kuzey kulenin inşaatı ikinci kata geldiğinde güney kulenin inşaasına başlanmıştır. İki kule arasında birinci katta Aziz Michel adına bir şapel kurulmuştur. Bu şapeli destekleyen tonoz ve sütunların izleri batı tarafında hâlâ görülebilmektedir. Tonozlu olarak inşa edilen bu şapel sayesinde batı camı korunabilmiştir. Ana kapıların üzerinde bulunan üç vitray 1145 ila 1155 tarihleri arasında yapılmıştır. 103 metre yüksekliğinde olan Güney kulesi ise 1155 yılında ya da daha sonra tamamlanmıştır.

Kraliyet Kapısı ile güney lentosunda çalışma 1136 yılı civarında başladı ve tüm heykeller 1141 yılına kadar tamamlandı. Heykel figürlerinin boyutları ve tarzları farklılık gösterdiği için farklı görüşler bulunmaktadır. Özellikle sağ kapı kanadı üzerinde bulunan lentonun uygun boşluğa oturtulabilmek için küçültüldüğü belli olmaktadır. Heykeller bu kapılar için tasarlanmış olsa da yerleşimi çeşitli ustalar tarafından değiştirilmiştir. John James'in heykeller üzerinde yaptığı litik analiz bunu göstermektedir. Yapılan heykellerin o döneme ait olan yüksek standarda uyduğu ve gotik kapı tasarımının gelişimine çok etkisi olduğu görülür.

10 Haziran 1194'te meydana gelen yangın Fulbert'in katedraline çok büyük zarar verdi. Zararın gerçek boyutları bilinmemekle birlikte, batı cephesi vitraylarında camları tutan kurşun iskeletin zarar görmeden günümüze kadar gelmiş olması oluşan zararın boyutunu anlatanların olayı abartmış olabileceğini göstermektedir. Gene de bu sayede kilisenin ortası ve koro bölgesinin en son mimari tarzda yeniden yapılmasına olanak çıkmıştır. Zarar görmemiş batı kanadı kuleleri ve cephesi ile bodrumun yeni yapılan inşaata entegre edilmesi mimarların eski katedrallerin planını korumasını gerektirmiştir. Aslında yeni katedral, Fulbert'in katedralinden çok az büyüktür.

Chartres Katedralinin olağandışı özelliklerinden biri de inşaat süresinin kısalığıdır. Bu sayede tasarımında tutarlılık korunabilmiştir. Her ne kadar detaylar da sayısız değişiklik yapılmış olasa da ana plan dikkat çekici şekilde tutarlı kalmıştır. Ana değişiklik inşaata başladıktan altı yıl sonra koro bölgesinin çevresinde tek bir kemerli koridora açılan derin gömmeli yedi şapelin yerine kemerli çift koridora açılan dar çıkıntılı şapellere dönüştürülmüştür.

Katedral üzerine detaylı bir araştırma yapmış olan Avustralyalı mimari tarihçisi John James'e göre inşaatta aynı anda 300 kişi çalışmaktaydı ancak o dönemin çalışma koşulları hakkında çok kısıtlı bilgi bulunmaktadır. Normalde Orta Çağ kiliseleri doğudan batıya doğru inşa edilirdi, dolayısıyla koro bölümü ilk olarak tamamlanır ve hizmete açılırdı. Diğer kısımlar tamamlanana kadar geçici bir duvar örülürdü. Canon Delaporte katedralin inşaatına orta bölümden başlandığını ve dışarıya doğru ilerlendiğini savunmuştur. Taş yapı üzerinde yapılan dendrokronoloji analizler ile kilisenin ortasında triforyum düzeyinde bulunan taşların koronun çevresindeki kemerli koridordan daha eski olduğu kanıtlanmıştır.
İnşaatı yapanların boş bir arazi üzerinde çalışmadığı, inşaatı ilerletebilmek için öncelikle eski yıkıntıların temizlenmesi gerektiğini unutmamak gerekir. Buna rağmen inşaat hızla ilerlemiştir. Güney sundurma, üzerindeki heykellerin tamamına yakınıyla birlikte 1210 yılında yerleştirildi. 1215 yılına gelindiğinde kuzey sundurma ve batı gülü yerine konmuştu. Ortadaki yüksek tonozlar 1220'de dikildi. Koro bölgesi üzerinde bulunan yüksek tonozlar 1250'lerin sonuna kadar dikilmemiştir.

Kilisenin her bir kanadı ilk olarak ikişer kuleyi desteklemek üzere yapılmıştır. Kilisenin tam ortasında da merkezi bir kule olacak ve toplam çan kulesi sayısı dokuz olacaktı. Merkezi kule planları 1221 yılında terkedilmiştir. Diğer kulelerde çalışma uzunca süre yavaş da olsa devam etmiş daha sonra bu kulelerin çatılarının yapılmamasına karar verilmiştir. Katedral Fransa Kralı IX. Louis'nin huzurunda 1260 yılında kutsanmıştır.
Diğer Orta Çağ katedralleriyle karşılaştırıldığında Chartres Katedralinin kutsandığından beri çok az tadilat geçirdiği görülmektedir. 1323 yılında koro bölmesinin doğu ucuna iki katlı bir ekleme yapılarak merdivenle ulaşılan üst katta Aziz Piat'a adanan bir şapel kurulmuştur.

1417 yılından hemen sonra kilisenin ortasının hemen güneyinde payandalar arasında Vendôme Kontu için küçük bir şapel yapılmıştır. Aynı zamanda orta koridorda yapılan küçük org triforyuma çıkarılmıştır. 16. yüzyılda bir dönem binanın batı ucunda bir platform üzerine daha büyük bir org yapılmıştır.

1506 yılında yıldırım düşmesi sonucu zarar gören kuzey kule çatısı, yerel usta Jehan de Beauce tarafından "Gotik flamboyant" tarzda yeniden yapılmıştır. 113 m uzunluğundaki çan kulesinin inşaası yedi yıl sürmüştür. Kulenin tamamlanmasından sonra Jehan koro bölmesinin çevresindeki anıtsal paravanı yapmaya başlamıştır. Bu paravan ancak 18. yüzyılın başlarında tamamlanabilmiştir.

1757 yılında, değişen dini göreneklere göre ana ayinin görünürlüğünü artırmak için içeride değişiklikler yapılmıştır. Koroyu kilisenin ortasından ayıran paravan yıkılmış ve günümüzdeki sıralar yapılmıştır. Aynı zamanda üst tarafata bulunan vitrayların yerine ızgaralı pencereler konularak altarın aydınlatması artırılmıştır.

1836 yılında kereste destekleriyle birlikte kurşun çatı bir yangınla yokolmuştur. Yerine "Charpente de fer" adı verilen dökme demir desteklerle desteklenen bakır kaplı bir çatı yapılmıştır. Yapıldığı zaman, kilisenin ortasındaki uzay yapı demir çerçeveli yapılar arasında en geniş açıklığa sahip yapıydı.

Chartres Katedrali, Fransız Devrimi sırasında ne yağmalanmış ne de büyük bir zarar görmüştür. Yapılan sayısız restorasyona rağmen Gotik sanatın şaheserlerinden biri olarak kalmaya devam etmiştir. Avrupa’da meydana gelen din savaşları ve Fransız Devrimi sırasında katedralin, diğer birçok kilise ve yapı gibi hasar almaması çok şanslı bir hadisedir. Ancak kurşun tavan sökülüp eritilerek kurşun yapımında kullanılmıştır.

Almanlar Fransa'yı işgal etmeden önce, 1939 yılında katedralin tüm vitrayları söküldü. Savaş bittikten sonra vitraylar temizlenerek tekrar kurşunlandı ve takıldı.

II. Dünya Savaşı sırasında şehir bombardımanlar sırasında büyük hasar görmesine karşın katedral bir Amerikan subayının emirleri sorgulaması sayesinde kurtulmuştur.

Albay Welborn Barton Griffith, Jr. katedralin yokedilmesi stratejisini sorgulayarak düşman hatlarının gerisine geçip Alman Ordusu'nun katedrali işgal edip gözlem noktası olarak kullanıp kullanmadığını kontrol etmek için gönüllü olmuştur. Yanında tek bir askerle katedrale gidip Almanların burayı kullanmadığını kanıtlamıştır. Döndüğünde bu bilgiyi verdikten sonra katedralin yokedilme emri geri çekilmiştir. Griffith 16 Ağustos 1944'te Chartres yakınında Leves kasabası yakınlarında çatışma sırasında ölmüştür.

Chartres Katedrali, UNESCO'nun Dünya Mirasları listesine 1979'da alınmıştır.

Geçen son on yılda düzenli bir temizleme ve restorasyon programı uygulanmıştır. Koro bölgesinin ve orta bölmenin taş tonozlarını temizleme ve 13. yüzyıldaki gibi tekrar boyama projesi başlatılmıştır.

Katedral hâlâ Chartres Piskoposunun resmî ikâmetidir.

Katedral haç şeklindedir. Batı ucunda iki bölmeli bir narteks yedi bölmeli iç kısma açılır. Haçın ortasında kuzeye ve güneye doğru üçer bölme uzanır. Haçın ortasından doğuya doğru dört dikdörtgen bölme yarım daire bir kubbeyle bağlanır. Doğu bölüme kadar olan bölümlerin çevresinde tek bir koridor bulunur ve koro ile yarım kubbe çevresinde iki koridor hâline gelir. Doğu ucunda üç gömme şapel bulunur.

Girişten ortaya kadar olan kısım üç katlıdır. Erken dönem Gotik kiliselerde görülen dört katlı düzen yerine üç katlı düzenin kullanılması ilk ve son katları daha süslü ve gösterişli yapmaya olanak sağlamıştır. Bu tasarım değişikliğinin ilk örneği olmasa da başarılı bir uygulamasıdır. Bu şekilde çok daha büyük pencereler kurulabilmiştir. Pencereler koyu renkli camlarla kapatılmıştır; bu nedenle içerisi karanlık sayılabilir ama camlardan süzülen renkli ışık ortama ayrı bir güzellik katmaktadır.

Pencerelerin büyütülmesi ancak duvar alanının azaltılmasıyla mümkün olmuştur. Bunu yapabilmek için de dışarıda oldukça çok sayıda dayama kemeri kullanılmıştır. Bu dayama kemerleri, Fransa'da o tarihe kadar denenmemiş kadar yüksek olan 34 m'lik yüksek taş tonozlardan gelen yan itme kuvvetlerini desteklemektedir. Bu tonozlar iki çapraz kiriş ile ayrılan dört parçalıdır. Erken dönem Gotik katedraller ise altı parçalı tonozlara sahiptir.

Chartres Katedralinin en göze batan özelliklerinden biri de vitrayın gerekliliklerine uymak için mimari yapının tasarımında yapılmış olan değişikliklerdir. Üç katlı tasarım ile dıştan payandalama tekniklerinin