Современный собор был построен на месте более древнего романского сооружения, которое хранило священную реликвию – Покров Богоматери. По легенде, когда в 911 г. к городу подступили норманны, шартрский епископ приказал повесить Покров на городскую стену и после этого норманны ушли, не причинив городу вреда.

В 1194 г. в результате сильнейшего пожара большая часть собора сгорела, но при этом ларец с реликвией не пострадал. Это было сочтено знамением, что Богоматерь велела перестроить церковь, ларец перенесли в крипту и стали возводить новый готический собор из светлого песчаника, который был освящен в 1260 г. С тех пор собор стал главным французским святилищем Богоматери и центром паломничества.

Величественный западный фасад собора, фланкированный двумя башнями с высокими каменными шпилями, производит впечатление необычайной мощи благодаря огромным наклонным контрфорсам, демонстрирующим могущество доминирующего над городом собора. Подобный неприступному замку, устремленный ввысь своими кажущимися издалека тонкими башнями и огромными не характерными для готики полукругыми окнами, собор поражает своей величественностью вместе с тем воздушностью, которые удалось воплотить в нем средневековым зодчим. Нижний ярус фасада открывают три перспективных портала, тимпаны которых поражают великолепным скульптурным убранством. Средний портал с Королевскими вратами посвящен Богоматери как царице небесной. Над ним три высоких полукруглых окна увенчаны большой розеткой, подаренной собору королем Людовиком Святым. Треугольный фронтон с пинаклем, венчающий фасад, скрыт за изящным арочным парапетом, придавая всему сооружению законченный вид. Башни, фланкирующие фасад, имеют разную высоту. Южная, более древняя, ниже северной, однако это не вносит дисгармонию в общий вид собора, т.к. ярусы обеих башен структурно повторяют друг друга – на квадратных в плане разновысоких нижних этажах покоятся восьмигранные завершения со стрельчатыми арками, увенчанными высокими вимпергами.

Трехнефный интерьер собора структурирован двумя аркадами, задающими определенную ритмичность за счет чередования восьмигранных и круглых колонн с круглыми и восьмигранными пилястрами, служащими опорами нервюрного свода. Ритмичность колонн визуально увеличивает и без того огромное пространство собора, делая интерьер поистине совершенным. Над аркадой проходит галерея-трифорий, открывающаяся на неф своей стрельчатой аркадой на круглых колоннах с кубическими капителями.

Жемчужиной собора являются шартрские витражи из синего стекла с желтыми, красными и зелеными фигурами. Они заполняют большие окна, галерея которых проходит над трифорием.