La première mention de la présence d’un orgue dans la cathédrale remonte au début du XVe siècle. Un autre instrument le remplace en 1487/88 alors qu’un petit orgue est installé, en 1506, au portail nord dans une arcature du triforium. Malheureusement, le jour de la Pentecôte 1599, le feu dévaste la charpente des bas côtés et détruit le petit instrument.

En novembre 1597, une entente est conclue avec Jean Jallon et, en juillet 1598, Gabriel Guyoton dresse l’échafaudage alors que le charpentier Jean Pinardeau s’occupe de la belle et originale tribune que nous connaissons puis ajoute les deux tourelles qui auraient dû recevoir des tuyaux de pédale de 32 pieds. La réception de cet orgue eut lieu le 18 janvier 1599.

En 1609, Antoine Joly effectue une réparation coûteuse. En 1613, Jacques Senot installe un nouveau sommier de 10 jeux pour la somme de 1200 livres tournois. Afin d’agrandir l’orgue, le Chapitre invite, en août 1663, le facteur Guy Joly qui, le 17 septembre suivant, remet son devis du nombre de jeux pour faire un orgue de seize pieds, pour la somme de 7500 livres tournois dans un buffet sculpté par Bernard Perrette. Lorsque Guy Joly décède en octobre 1664, il est remplacé par le parisien Pierre Cauchois, selon un contrat passé le 2 janvier 1665. Le 13 août 1665, Cauchois propose l'ajout d'un positif sur la tribune existante, ce qui fut accepté. L’expertise de cet instrument a lieu en septembre 1668 par Nicolas Lebègue qui demande quelques modifications et Cauchois reçoit la quittance définitive le 12 novembre suivant.

Pendant la révolution, Jean-Baptiste Balland, alors en poste, propose de tenir l’orgue pour rehausser les cérémonies civiques, ainsi il le sauvera de la destruction.

En 1818, le Chapitre fait appel au célèbre Pierre-François Dallery pour réviser la composition de l’instrument afin de l'adapter au répertoire romantique et ce, pour Pâques 1820. Dallery terminera les travaux en février 1821. Balland est remplacé par Salvator Daniel qui tint l’orgue de 1822 à 1843. En 1824/5, celui-ci put faire réviser l’instrument par Louis Callinet.

Le 18 décembre 1855, un jeune Berruyer, A.M. Bruneau, alors organiste en poste, réceptionna un orgue de chœur construit par la maison Ducroquet et, en 1858, la maison Merklin & Schütze obtint un contrat pour réviser l’instrument. Cette révision consistait à porter à 34 le nombre de jeux et l'ajout d'une machine Barker. L'instrument révisé sera inauguré le 30 octobre 1860 par l’organiste de la cathédrale Jules Boissier-Duran.

En 1924, Joseph Rickenbach installa une traction tubulaire et ajouta 17 nouveaux jeux pour porter le nombre total à 51. Une intervention du facteur Victor Gonzales eut lieu en 1934 et le récital d’inauguration fut donné par André Marchal le 1er novembre. La grande verrière, démontée en 1939, pour mettre les vitraux à l’abri, fut remplacée par du verre blanc et remontée en 1945.

En 1952-4, le grand orgue fut révisé par Robert Boisseau au nom de la maison Roethinger : le nombre de jeux passa de 51 à 60 et la traction devint électrique.

En 1966, le nouveau titulaire André Pagenel fit appel à Marie-Claire Alain pour envisager des travaux cohérents. Ces travaux mènent à une décision importante : rendre à cet instrument son caractère classique d'origine avec ses 4 claviers, 50 jeux et une traction mécanique.

En mai 1972, la Commission des Monuments Historiques classe la partie instrumentale de l'instrument.

En 1985, Un contrat est signé avec la maison Alfred Kern & Fils pour la restauration de l’orgue et avec l’entreprise Fancelli pour celle du buffet, Pierre Lebouteux étant architecte des Monuments historiques, le tout pour un montant de 4 500 000 FF.

Daniel Kern dirigea entièrement l’entreprise et revint à la conception initiale des facteurs Joly-Cauchois pour le grand orgue et le positif dorsal. Le 3e clavier de Récit reprit les jeux de Dallery. La console fut installée en fenêtre. Le tiers de la tuyauterie date du XVIIe siècle, le 4e clavier d’Écho est neuf. Le buffet a été remis à sa couleur d’origine.

Le nouvel instrument fut inauguré le 18 mai 1986 par un concert donné par trois artistes : Manfred Brandstetter (Hanovre), Nicole Pillet-Wiener (Saint-François-de-Sales, Paris) et Michel Chapuis (Saint-Séverin, Paris).