A la fin du XIIIe, l’achèvement est total. Les choix effectués à Sens sont en effet contemporains de ceux qu’effectue Suger à Saint-Denis. Plusieurs innovations (absence initiale de transept, voûtement d’ogives étendu à tout l’édifice, grandes baies des collatéraux) se combinent avec des choix plus conservateurs (alternance des supports, murs épais). Rapidement, Sens « essaime » : ces choix architecturaux sont adaptés à Senlis, Noyon...
En 1184, un incendie détruit quelques voûtains. On en profite pour rehausser la voûte et agrandir les fenêtres (vers 1230).

palais synodal

La cathédrale est alors au faîte de son prestige et elle accueille le mariage de Louis IX avec Marguerite de Provence. Quelques décennies plus tard (vers 1267-1268), la tour d’angle sud-ouest s’écroule avant d’être immédiatement reconstruite. Des chapelles sont progressivement ajoutées aux bas-côtés de la nef (fin du XIIIe) et au déambulatoire (XIVe). Au XVe et XVIe siècle, un transept vient se greffer sur l’édifice. Les travaux, confiés à l’architecte Martin Chambiges (l'architecte des transepts de Beauvais et de Senlis), sont effectués dans la dernière décennie du XVe siècle pour le bras sud et au début du XVIe pour le bras nord.

palais synodal

Peu après on ajoute un étage à la tour sud, qui, tout comme la tour nord, n’a jamais reçu la flèche de pierre initialement prévue. Au sommet de la tour sud, on aménage un campanile, chargé d’abriter l’horloge. Les modifications ultérieures concernent surtout l’aménagement intérieur.
La Révolution cause de grands dommages à l’édifice, notamment aux sculptures des portails. La flèche du transept est également abattue. Au XIXe siècle, on procède à plusieurs restaurations, les plus importantes étant confiées à l’architecte Robelin. Celui-ci juge opportun de détruire les chapelles latérales du XIIIe siècle pour leur en substituer d’autres, à la configuration quelque peu étrange.

La façade harmonique présente deux tours inachevées.
Au dessus du portail central, s'élève un grand fenestrage brisé surmonté d'une petite rose et d'arcatures aveugles.
Au nord, la tour ne dépasse pas la hauteur du massif.
La tour sud a bénéficié d'un étage supplémentaire auquel s'ajoute un petit campanile.

Le portail central est consacré à saint Etienne, dont on voit la statue au trumeau (l'une des rares statues épargnées par la révolution). Dans les piedroits, les vierges sages, à gauche, répondent aux vierges folles, à droite. Au-dessus du portail, deux médaillons font écho à cette parabole. A gauche, la cité céleste s'ouvre aux vierges sages, tandis qu'à droite les vierges folles trouvent porte close.

Au tympan est racontée la vie de saint Etienne. Dans les quatre arcatures tréflées du premier registre, on trouve successivement sa prédication, son expulsion de la synagogue, sa lapidation et Saül (futur saint Paul) gardant les manteaux des bourreaux. Les deux quadrilobes au-dessus montrent à gauche le lion et l'aigle veillant sur le corps du saint et à droite son âme recueillie par des anges. Enfin, tout en haut, le Christ accueille le martyr.

Le portail sud est consacré à la Vierge. Le tympan représente la dormition et le couronnement.

Le portail nord est dédié à saint Jean. Dans les soubassements, on trouve à gauche, une représentation de l'avarice (femme échevelée assise sur un coffre) et à droite la figure de la charité (femme avec des cassettes ouvertes).

La première rangée de voussures est consacrée à l'enfance de saint Jean-Baptiste et aux débuts de sa mission. Le second cordon de voussures relate l'histoire des reliques de saint Jean.

Au tympan, on trouve l'histoire de saint Jean-Baptiste. Le premier registre présente le baptême du Christ, le festin d'Hérode et la décollation. Dans le registre supérieur, le Christ accueille le saint.

La pureté du chevet est quelque peu engluée dans les nombreuses chapelles qui se sont greffées autour.

La nef comporte huit travées réunies deux à deux par des voûtes sexpartites (ci-dessous).
Les piles fortes reçoivent un faisceau de colonnettes qui descendent jusqu'au sol tandis que les piles faibles - deux colonnes jumelées - ne supportent que les grandes arcades et à la retombée du doubleau qui traverse la clé de voûte.

L'élévation de la nef est à trois niveaux. Le triforium se compose de deux groupes de baies géminées aux remplages sans ornement.
Les fenêtres hautes, encore assez petites dans ce gothique primitif, ne comportent que deux lancettes.

Au milieu des faisceaux du premier pilier de la nef, côté nord, se trouve une curieuse petite tête. C'est celle de Jean du Cognot, avocat bourguignon du XIVe siècle, qui ayant perdu un procès contre le clergé vit sa tête sculptée par dérision dans les piliers des cathédrales de Sens et d'Auxerre.

Les collatéraux sont voûtés d'ogives quadripartites.

Les chapelles latérales, du XIXe siècle, ne sont pas une grande réussite architecturale.

Les extrémités du transept sont largement postérieures à la nef. Elles sont éclairées de grandes roses flamboyantes sous lesquelles s'intercale une claire-voie. L'élévation latérale ne comporte pas de triforium, l'architecte ayant fait ce choix pour allonger les surfaces vitrées, comme cela était en vogue au XVe siècle.

Sur chaque bras s'ouvre une absidiole. (ci-contre absidiole du transept sud).

Le chœur comporte cinq travées droites à voûtes sexpartites, et un rond-point à cinq pans.
L'élévation est semblable à celle de la nef.

Au sud, cet escalier permet de communiquer avec le palais synodal.