Aux xiie et xiiie siècles la cathédrale Notre-Dame de Chartres fut l’une des plus grandes cathédrales gothiques dédiées à la Vierge dans la France septentrionale. Elle est aujourd'hui inscrite sur la liste du Patrimoine mondial de l’humanité de

l'UNESCO. La cathédrale est élevée sur un promontoire, butte naturelle qui domine l’Eure d'une trentaine de mètres. Elle est implantée dans le tissu urbain de la ville antique.

 
Au cours du Haut Moyen Âge, cinq édifices au moins ont dû se succéder. Il n’en reste que quelques pans de murs et le site de la crypte dite de Saint-Lubin, dont le plan et l’orientation ont déterminé l’implantation de l’abside de l’édifice actuel. En 1020, la cathédrale est ravagée par les flammes. C’est à l’évêque Fulbert que l’on doit la construction de la première cathédrale qui est dédicacée en 1037 et dont il reste la crypte, le narthex avec sa façade à trois portails sculptés et ses deux tours. Le clocher sud est érigé plus tardivement. La basilique romane de Fulbert sera encore détruite en 1194 et seules la crypte et la façade ouest sont préservées.

La cathédrale actuelle est celle qui fut construite au xiiie siècle. Elle reprend le massif occidental de l’ancien édifice. Son plan en croix latine, son élévation à trois étages, ses voûtes d’ogives à doubleaux et formerets déterminant la forme des piles, en font un exemple de l’architecture gothique à ses débuts. Le dallage de la nef a été conservé. À l’extérieur, afin d'équilibrer la poussée des voûtes, un système de gros contreforts et d’arcs-boutants fut installé jusqu’à la base des toitures, en deux volées superposées, d’épaisseur décroissante. Les deux porches latéraux possèdent un décor sculpté.

Les siècles suivants verront l’édification d’extensions liées notamment à l’évolution de la liturgie. Entre 1325 et 1335, la salle capitulaire surmontée de la chapelle Saint-Piat est érigée et reliée à la cathédrale par un escalier couvert par une galerie. La chapelle Vendôme est construite en 1417 entre deux contreforts du bas-côté sud. Au xvie siècle, le maître maçon Jehan Texier dit Jehan de Beauce procède à d'importants travaux. Il reconstruit, en 1506, le clocher nord dit clocher Neuf détruit par la foudre. Puis en 1520 il installe le pavillon de l’horloge sur le côté nord de la cathédrale.

En 1836, un incendie accidentel détruit l’ancienne charpente en bois. La toiture est reconstruite en fonte de fer avec une couverture en cuivre qui avec le temps produit du vert-de-gris et lui donne cette couleur verte caractéristique.

Les vitraux de la cathédrale de Chartres sont considérés comme l'un des ensembles les plus complets et les mieux préservés de l'époque médiévale. Ils sont notamment célèbres pour leurs couleurs et en particulier pour le fameux « bleu de Chartres », référence mondialement reconnue. Ils couvrent une surface totale de 2 600 m² et présentent une collection unique de 172 baies illustrant la Bible et la vie des saints ainsi que celle des corporations de l'époque.

Les plus anciens vitraux, rescapés du terrible incendie de 1194, sont Notre-Dame de la Belle Verrière (daté de 1180) et les trois lancettes de la façade ouest réalisés entre 1145 et 1155. La plupart des autres vitraux sont contemporains de l’église actuelle et datent du xiiie siècle, entre 1205 et 1240 environ. La rapidité des travaux explique sans doute l’unité exemplaire de l’ensemble.

Aujourd'hui, la ville rassemble plusieurs ateliers de maîtres verriers et le Centre International du Vitrail (CIV), installé dans l'enclos de Loëns, contribue au rayonnement de cet art dans le monde.