La cité de Caesaromagus, capitale des Bellovaques, existe sans doute déjà sous le règne de Tibère (14-37 apr. J.-C.). Comme la plupart des villes de Gaule, elle se dote d'une enceinte réduite de 1370 m vers la fin du IIIe siècle apr. J.-C., pour faire face aux premières menaces germaniques. C'est à peu près à cette même époque que la tradition légendaire place l'existence d'un premier évêque, saint Lucien. En pleine persécutions contre les chrétiens (v. 290), il subit le martyr avec deux de ses compagnons, Maxien et Julien. Décapité, il aurait porté sa tête en chantant des cantiques. Il faut attendre en fait le VIIe siècle pour avoir le premier évêque de Beauvais dûment attesté, en la personne de Maurinus.

La ville passe sur le devant de la scène durant les invasions scandinaves et affronte plusieurs fois la fougue des guerriers du Nord, aux IXe et Xe siècles. Après ces terribles épreuves, l'évêque Hervé (fin du Xe siècle) démarre le chantier d'une cathédrale, sans doute ce qui subsiste aujourd'hui encore sous le nom de Notre-Dame-de-Basse-Œuvre. Le comte de Beauvais Eudes II abandonne au commencement du XIe siècle tous ses bénéfices aux évêques. Les prélats n'ont donc plus aucun rival laïc et dépendent directement du roi de France. Ils se comportent en seigneurs féodaux, battent monnaie et exercent leur pouvoir incontesté sur l'ensemble du Beauvaisis. Leur seule concurrence vient de la commune, reconnue par Louis VI le Gros (1108-1137) en 1122. Les intérêts des bourgeois et ceux de l'évêque se révèlent souvent contradictoires et la situation génère de nombreuses querelles. Lorsque l'autorité royale effectue d'importants progrès, sous Philippe Auguste (1180-1223), l'évêque se trouve un nouveau rival d'une toute autre mesure. Milon de Nanteuil, (1217-1234) en seigneur féodal, tente de secouer le joug sous la régence de Blanche de Castille, durant la minorité de saint Louis.

C'est après l'incendie de Notre-Dame-de-Basse-Œuvre, en 1225, que le même Milon décide la construction d'un nouveau sanctuaire. Il est le dernier des évêques picards à se lancer dans l'aventure des grands chantiers de l'ère gothique, après ses coreligionnaires de Noyon, Soissons, Amiens et Laon. Le chœur monumental est achevé et dédicacé en 1272, mais s'effondre partiellement douze ans plus tard. Les travaux ne recommencent pas immédiatement et la guerre de Cent Ans oblige les puissants évêques à limiter leurs ambitions à de simples consolidations de l'existant. L'évêque de Beauvais Pierre Cauchon est l'un des principaux acteurs du procès de Jeanne d'Arc, et l'un des artisans de sa condamnation au bûcher en 1431. La ville est férocement assiégée en 1472 par les Bourguignons de Charles le Téméraire, mais résiste héroïquement sous l'impulsion de la fameuse Jeanne Hachette. La région est pacifiée après cette date et les agrandissements reprennent en 1500. Le transept est bâti et le chapitre souhaite alors élever une tour lanterne. Achevée en 1570, elle est alors l'un des plus hauts édifices de la chrétienté. Sans doute trop hardie, sans nef gothique pour la contrebuter, elle s'effondre en 1573.

Dès lors, les autorités religieuses et communales ne songent plus qu'à maintenir l'existant et à effectuer des aménagements intérieurs. Inscrite sur la liste des monuments à préserver dressée par Prosper Mérimée en 1840, la cathédrale fait depuis cette date partie des plus anciens édifices classés en France. Les bombardements allemands de 1940 dévastent les quartiers qui l'entourent, mais l'épargnent heureusement. Les problèmes de stabilité ne sont aujourd'hui toujours pas réglés et Notre-Dame fait encore l'objet d'une surveillance de tous les instants.