De eerste christenen die in de 3e eeuw naar Chartres kwamen ontdekten het beeld, inmiddels zwart van ouderdom, en vereerden het als de Zwarte Madonna. Zij waren stomverbaasd dat de plaatselijke heidenen al voor hun komst een Maria-beeld hadden gemaakt en aanbeden, maar zagen dit als bevestiging van hun eigen gelijk. De dolmen kreeg de naam "La Grotte des Druides" (grot van de Druiden) en de crypte werd eromheen gebouwd. De bron werd "La Source des Forts" (Bron van Kracht) genoemd. Alle 6 de kerken die achtereenvolgens op de locatie werden gebouwd werden aan Maria gewijd. Bovendien maakt men ook aanspraak op het bezit van haar tunica (onderjurk) die ze tijdens de bevalling droeg en die op wonderlijke wijze werd gered tijdens de brand van 1194. Dankzij dit relikwie, nog steeds aanwezig, werd Chartres in de Middeleeuwen één van de belangrijkste etappes van de bedevaartstocht naar Santiago de Compostela.
De eerste vier kerken werden door brand verwoest (in 743, 858, 962, 1020), evenals de eerste kathedraal in 1194. Ten tijde van deze laatste brand was Chartres het centrum van een welvarend bisdom. Dit dankte haar rijkdom vooral aan de handelsbeurzen die waren ingesteld op de vier feestdagen van Maria: Geboorte, Boodschap, Lichtmis en Hemelvaart.
De bouw van kathedralen was een kostbare aangelegenheid die werd georganiseerd door de kerk, maar waar de hele gemeenschap aan meebetaalde. Die van Chartres was, zelfs voor middeleeuwse normen, een uitzonderlijke dure aangelegenheid. Nu is de kathedraal een allergaartje aan Gotische stijlen. Bij de brand van 1194 werden alleen de crypte, de westelijke torens en de drie portalen er tussen in gespaard; zij zijn gebouwd tussen 1134 en 1150 in een Romaans-Gotische overgangsstijl. De Noordwesttoren werd in 1140 gebouwd als de allervroegste Gotische toren, maar werd in 1507 voorzien van een rijkbewerkte flamboyant-Gotische spits. Verder zijn de gevels aan de Noord- en de Zuidkant en het dwarsschip uit de vroege 13e eeuw. Deels om practische redenen werd het ontwerp versimpeld vergeleken met eerdere kathedralen: men wilde zo snel mogelijk de kerk weer herbouwen.
De muuropstand telt drie verdiepingen (arcaden, triforium en lichtbeukvenster). De gebruikelijke tribunegalerij, die in de muuropstand een constructieve functie had (het opvangen van de zijwaartse druk van de gewelven), is achterwege gelaten. Dit wordt overgenomen door de luchtbogen. Als eerste Gotische kerk wordt steeds één travee herhaald in plaats van het Romaanse dubbeltravee. Door beide versimpelingen oogt de muuropstand helderder en verticaler dan de voorgangers. De gewelven zijn ongeveer 36,5 m hoog. Het waterpeil van de bron ligt 37 m onder het sacrale hart, terwijl precies even hoog erboven zich het hoogste punt in het gewelf bevindt.