La cathédrale dédiée à saint Pierre et saint Paul est le fruit d’une perpétuelle reconstruction depuis le XVe siècle, au rythme de la conjoncture historique.

Alors que le grand élan de reconstruction des cathédrales s’essouffle au XIVe siècle, à la suite des guerres et des épidémies de peste, le duc de Bretagne et l’évêque de Nantes entreprennent la construction d’un nouvel édifice grandiose dans le but de promouvoir le siège épiscopal de la capitale du duché breton. Les travaux débutent par le massif occidental, partie la plus spectaculaire et visible de l’édifice.

D’un plan inédit, il se compose d’une avant-nef desservie par trois portails occidentaux et deux portails latéraux sur les façades en retour. A la fin de l’époque médiévale, la nef reste inachevée. La construction des voûtes de celle-ci et du bras sud du transept est entreprise à partir de 1640, dans la continuité du style gothique flamboyant. Subsiste alors encore le chœur roman du XIe siècle, autour duquel s’élève progressivement la cathédrale gothique.

Suite aux dégradations révolutionnaires de la statuaire et à de malencontreux travaux, la cathédrale parvient en piteux état au XIXe siècle. Toutefois, le tombeau de François II et Marguerite de Foix - chef-d’œuvre de la sculpture française commandé par Anne de Bretagne au début du XVIe siècle - y est installé en 1817, provenant du couvent des Carmes voisin et sauvé de la destruction. Enfin, de 1840 à 1891, une campagne de travaux colossale achève la construction par une unification néogothique dans le style du XVe siècle : l’abside est dotée de cinq chapelles rayonnantes, le chœur du XIe siècle est détruit puis remplacé par un chœur néogothique tandis que les vestiges romans de la crypte sont restaurés et mis en valeur.

Au chantier de construction succède maintenant un chantier de restauration permanent. En 1944, la cathédrale est frappée par des bombardements qui détruisent les deux chapelles sud et la sacristie. S’en suit une longue période de travaux, jusqu’au terrible incendie du 28 janvier 1972. La charpente du XVIe siècle, partie en fumée, est alors remplacée par une structure en béton. Des offices sont célébrés dans le chœur dès 1975 mais il faudra attendre 1991 pour la réouverture totale de la cathédrale au public.