À la fin du xiie siècle le catharisme atteint Carcassonne et y fera beaucoup d'adeptes, les cathares étant protégés par le vicomte Raimond-Roger Trencavel. Après l'assassinat du légat apostolique Pierre de Castelnau en janvier 1208, la ville et toute sa région sont déclarées terres d’hérésies par le pape Innocent III, et en conséquence subissent la Croisade des albigeois, dirigée par Arnaud Amaury.

L'armée croisée met le siège devant Carcassonne : deux bourgs situés près des remparts tombent rapidement et sont brûlés. L'enceinte de la cité résiste à l'assaillant, mais c'est la sécheresse et la soif qui font capituler la ville au bout de deux semaines, le 15 août 1209 : il fait très chaud cette année-là, les puits sont à sec. Il faut aller chercher de l'eau en dehors de l'enceinte, en bas de la colline, directement dans l'Aude, mais Trencavel ne prend aucune disposition pour en défendre l'accès et les habitants sont empêchés par les croisés d'aller y puiser. La ville capitule alors : Trancavel est jeté dans un cachot du palais comtal où il meurt rapidement de dysenterie ; ses terres sont attribuées à Simon de Montfort (plus tard son fils les donnera au roi de France, qui les intégrera au domaine royal en 1224. Des sénéchaux royaux seront alors installés dans tout le Languedoc). Les habitants doivent quitter la ville, n'emportant que les vêtements qu'ils portent ; la cité devient zone militaire, mais reste un centre religieux grâce à la cathédrale Saint-Nazaire.

Le palais comtal est alors transformé en forteresse, l'enceinte de la ville est doublée et renforcée jusqu'à la fin du xiiie siècle.

Le 17 septembre 1240 Raimond II Trencavel assiège la cité, les combats dureront jusqu'au 11 octobre et l'arrivée d'une armée royale de secours.

Saint Dominique a passé tout le carême de 1213 à prêcher à Carcassonne. Un tribunal d'Inquisition y est installé en 1234.

L'expulsion des habitants de la cité fortifiée est un acte majeur de l'histoire de Carcassonne, car ils s'établissent sur l'autre rive du fleuve, où Louis IX crée "la ville basse" ou "bastide Saint Louis". Progressivement cette dernière prospère économiquement et acquiert un rayonnement politique. Elle est dotée d'un consulat en 1248, avec six consuls qui la gouvernent avec l'aide des notables.