La construction démarra simultanément aux deux extrémités est et ouest de l’édifice. En 1160, le portail central de la façade occidentale était déjà réalisé. En 1167, la cathédrale possédait déjà son chœur et sa façade occidentale et en 1175, la nef était raccordée au chœur.

Elle fut consacrée le 16 juin 1191 par l’archevêque de Reims Guillaume aux Blanches Mains.

Sa construction avait ainsi duré quarante ans ; mais elle était dépourvue de transept. La cathédrale fut fortement modifiée au XIIIe siècle : vers 1240, on prolongea la tour sud d’une remarquable flèche à deux étages, superbe joyau de la cathédrale, et l’on interrompit la perspective intérieure en perçant un transept qui laissa la nef plus courte que le chœur.

À la fin du XIVe siècle, on construisit la salle capitulaire et aux environs de 1465 la chapelle du Bailli, fondée par Gilles de Rouvroy dit de Saint-Simon, bailli de Senlis et ancêtre du duc de Saint-Simon, qui y fut inhumé en 1477. En 1504, un incendie, provoqué par la foudre, détruisit la charpente et entraîna l’effondrement des voûtes, à l’exception de celle de la première travée.

Grâce aux donations des rois Louis XII et François Ier, on reconstruisit les parties hautes de la cathédrale en les surélevant de 6 mètres, on doubla les bas-côtés de la nef et l’on para les façades latérales d’un décor flamboyant très riche. La restauration débuta en 1506 et dura jusqu’en 1515.

En 1520, on commença l’édification de la façade du transept sud. Son superbe portail fut construit par Martin Chambiges puis par son fils Pierre et date de 1538, le portail nord est de 1560. Les chapelles orientales datent de la même époque.