Aux environs de 1140, l'évêque Geoffroy de La Roche-Vanneau (1139-1162), compagnon de Saint Bernard, prit la décision de reconstruire la cathédrale. La construction commença par le chœur. L'élévation à trois niveaux fut reprise de celle de l'église de Cluny III. Les arcs-boutants du chœur étaient cachés sous les combles mais ceux de la nef étaient visibles de l'extérieur. En 1170, une bulle du pape Alexandre III, réfugié à Sens de 1163 à 1165, nous apprend que la construction était fort avancée. Il ne devait manquer que les premières travées de la nef et la grande façade.
En 1190, à la suite de l'achat des terrains situés à l'ouest, une dernière campagne fut entreprise en vue de terminer la construction de la cathédrale. Celle-ci fut dédicacée en 1196. Il semble qu'à cette date seules les voûtes de la nef étaient encore à édifier.
En 1209, la pieuse relique du chef de saint Mammès fut confiée à la cathédrale de Langres. Le xiiie siècle vit la construction du cloître dont il reste actuellement deux galeries, ainsi que l'édification, sous l'impulsion du chanoine de Vergy, de la chapelle de la Vierge dans l'axe de l'abside (1282).
En 1314, un incendie détruisit la toiture de la nef. Les chapelles rayonnantes datent des années 1324 à 1366.
Au xvie siècle, de 1547 à 1551, le chanoine Jean d'Amoncourt, vicaire général de Claude de Longwy de Givry, évêque de Langres et cardinal de Givry, fit construire la superbe chapelle de la Sainte-Croix située du côté gauche de la nef. En 1562 eut lieu un nouvel incendie dû à la foudre.
En 1746, la façade occidentale menaçant de s'effondrer, décision fut prise de la démolir. Elle fut reconstruite de 1761 à 1768 dans le style classique, suivant le projet de Claude-Louis d'Aviler datant de 1758. Les travaux furent dirigés par l'architecte Jean-Antoine Caristie.
Le 12 décembre 1790, la cathédrale fut fermée, mais rouverte en 1791 au profit de l'évêque constitutionnel Hubert-Antoine Wandelaincourt. Ce dernier fit détruire le jubé en 1792.
Around 1140, Bishop Geoffroy de La Roche-Vanneau (1139-1162), companion of Saint Bernard, decided to rebuild the cathedral. Construction began with the choir. The three-storey elevation was taken from that of the church of Cluny III. The buttresses of the choir were hidden under the eaves but those of the nave were visible from the outside. In 1170, a bull from Pope Alexander III, a refugee in Sens from 1163 to 1165, tells us that construction was well advanced. All that was to be missing were the first bays of the nave and the large facade.
In 1190, following the purchase of land to the west, a final campaign was undertaken to complete the construction of the cathedral. This one was dedicated in 1196. It seems that at this date only the vaults of the nave were still to be built.
In 1209, the pious relic of the head of Saint Mammes was entrusted to the cathedral of Langres. The 13th century saw the construction of the cloister of which there are currently two galleries, as well as the construction, under the impetus of the Canon of Vergy, of the chapel of the Virgin in the axis of the apse (1282).
In 1314, a fire destroyed the roof of the nave. The radiating chapels date from the years 1324 to 1366.
In the 16th century, from 1547 to 1551, Canon Jean d'Amoncourt, vicar general of Claude de Longwy de Givry, bishop of Langres and cardinal of Givry, had the superb Chapel of the Holy Cross built on the left side of the nave. . In 1562 a new fire occurred due to lightning.
In 1746, the western façade threatening to collapse, the decision was taken to demolish it. It was rebuilt from 1761 to 1768 in the classical style, following the project of Claude-Louis d'Aviler dating from 1758. The work was directed by the architect Jean-Antoine Caristie.
On December 12, 1790, the cathedral was closed, but reopened in 1791 for the benefit of the constitutional bishop Hubert-Antoine Wandelaincourt. The latter had the rood screen destroyed in 1792.
In the 19th century, the upper parts of the cathedral were rebuilt by the architect Alphonse Durand, from 1852. The latter also built the sacristy, from 1857 to 1862.
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