Existiron tres catedrais anteriores no mesmo lugar. A primeira catedral, dedicada a San Mauricio, foi construída polo bispo Lidorio entre os anos 337 e 371 e situada no extremo sur da ponte sobre o río Loira, na estrada que ía de París ás rexións suroccidentais do país. Ardeu en 558 e foi reconstruída polo bispo Gregorio de Tours e rededicada en 590. A súa localización, no ángulo suroeste do castrum, ou antigas murallas romanas, fixo que a entrada da catedral formase parte da antiga muralla da cidade romana. A partir de 1160, comezouse outra estrutura construída en estilo anxevino; sufriu graves danos por un incendio e nunca se rematou.[3]
As obras retomáronse co coro arredor de 1220 despois de recibir axuda financeira de Lois IX. O coro e o transepto foron reconstruídos entre 1240 e principios do século XIV, utilizando partes dos muros inferiores da estrutura románica. A finais do século XIV, completouse o transepto e a catedral foi rededicada en 1356 a San Gaciano.[3]
Os traballos adicionais e a construción das torres foron interrompidos pola guerra dos Cen Anos. A nave só se rematou durante o século XV polos arquitectos Jean de Dammartin, Jean Papin e Jean Durand, coa axuda financeira de Carlos VII e do duque da Bretaña Xoán V. En 1484 completáronse os portais inferiores e as dúas novas torres erixíronse xusto fóra das antigas murallas da cidade. A primeira torre rematouse en 1534 e a segunda en 1547, con elementos renacentistas franceses nas súas coroas.[3]
A lenta construción da catedral levou a un dito local: "... non ata que a catedral estea rematada", para referirse a algo particularmente longo e difícil de conseguir. Tamén significaba que o edificio presenta un patrón complexo de tipos de arquitectura relixiosa francesa desde o século XIII ata o XVI.
En 1787, en resposta ás doutrinas do Vaticano que pedían facer os interiores das igrexas máis abertos e acolledores, retirouse o biombo do coro, que separaba o coro da nave. En 1793, durante a Revolución Francesa, a igrexa sufriu graves danos polos xacobinos, que esnaquizaron as estatuas do portal. Non obstante, a diferenza doutras igrexas de Francia, a catedral salvouse da destrución completa e funcionou como templo da razón ata o reinado de Napoleón I. En 1848, realizouse un pequeno proxecto de restauración, restaurando partes da catedral, incluída a escultura do portal.[1]
Unha importante restauración da catedral comezou en 1993, comezando polas fiestras superiores. A restauración do órgano completouse en 1996, seguida pola do cruceiro norte e o seu rosetón en 2010 e 2013. Ademais da restauración, engadíronse douscentos metros cadrados de novas fiestras á catedral, dedicadas a San Martiño, e dedicouse un novo altar maior en 2018.[1]