La prima cattedrale fu costruita sotto S. Memmie, il primo vescovo di Châlons, costruito nel IV secolo; anche lei era già a S. Dedicato a Stefano. Strutturalmente però si può cogliere solo la chiesa che fu edificata in stile romanico nella prima metà del XII secolo. Il 26 ottobre 1147 fu fondata dal papa cistercense Eugenio III. († 1153), allievo di S. Bernardo di Chiaravalle, inaugurato. Nel 1230 questa chiesa fu distrutta da un fulmine e incendiata; sono sopravvissute solo la parte inferiore della torre nord e parti della cripta.
Fu ricostruita pochi anni dopo, in stile gotico, cioè con superfici murarie smaterializzate in cui grandi finestre inondavano di luce l'ambiente; La cattedrale di Châlons-en-Champagne ha diversi buoni esempi di vetrate medievali. Verso la fine del XIII secolo furono terminati il portale nord del transetto sinistro e le sette campate delle tre navate. Il XIV secolo creò le cappelle del coro e un rosone nel transetto nord, il XV secolo continuò a costruire sulla navata (tre campate). Nel 1520, il vescovo Gilles di Lussemburgo aggiunse una punta alla torre nord. Nel XVII secolo furono aggiunte due campate all'edificio della cattedrale esistente a ovest in stile gotico e quindi allineate con esso, e furono costruite cappelle laterali nei montanti della navata. Il primo classicismo mise dal 1628 al 1634 davanti alla facciata ovest; l'architetto era Claude Monnart. Le loro figure ornamentali furono distrutte dalla rivoluzione.
Nel 1668 un fulmine colpì la sommità tardogotica della torre nord a cinque piani; crollò, fracassando il tetto e la volta, e fracassò anche la cripta sotto il santuario. La ricostruzione è iniziata nello stesso anno.
L'Ottocento fu segnato da grandi lavori di ristrutturazione. Le volte della navata sono state completamente rinnovate e sono state rimosse le cappelle laterali del XVII secolo. La parete frontale della navata meridionale è stata ricostruita. Sono stati restaurati gli archi ciechi e le vetrate colorate.
Durante la prima guerra mondiale, le bombe danneggiarono il deambulatorio e le cappelle del coro nel 1916 e nel 1918, e durante la seconda guerra mondiale, le bombe distrussero il tetto e la navata nord nel 1940 e nel 1944.