A l’origine simple abbatiale du monastère fondé par le pape Urbain V en 1364, l'église est érigée en cathédrale seulement en 1536 par le transfert du siège épiscopal de Maguelone à Montpellier.

Gravement endommagée pendant les guerres de Religion, restaurée en 1630, la cathédrale est dotée d’un nouveau chœur en 1775, puis agrandie en 1855 par Henry Revoil, disciple de Viollet-le-Duc.

Propriété de l'Etat, elle est classée au titre des Monument historiques en 1906.