La primera catedral se erigió en los límites del recinto galorromano de la ciudad, en el año 500. Su santuario fue incendiado y la catedral fue reconstruida en el siglo XII en estilo románico. Solo quedan algunos rastros de este edificio. Solo el coro fue visible hasta el siglo XIX. La historia de la Catedral de San Pedro y San Pablo de Nantes continúa durante la Revolución, cuando se utiliza como observatorio, establo y lugar de experimentación científica. Las vidrieras de la Catedral de San Pedro y San Pablo de Nantes han sido testigos de las numerosas pruebas de la ciudad a lo largo de los siglos. Las vidrieras supervivientes tienen las huellas. Pocos han sobrevivido a lo largo del tiempo y, en particular, la explosión de una de las torres del Château des Ducs en 1800 que dañó la catedral y voló muchas vidrieras. Los bombardeos de la Segunda Guerra Mundial también contribuyeron a la pérdida de este patrimonio.
La actual catedral, de estilo gótico, es así el tercer edificio levantado en este solar. Su construcción data del siglo XV. Se hace de forma paulatina, desde la fachada hasta la antigua iglesia románica. El conjunto -fachada, nave y naves laterales, bóveda gótica, brazo sur del crucero y arbotantes- se completó en el siglo XVII. La mayoría de las vidrieras actualmente visibles datan de la segunda mitad del siglo XX. Algunos fueron realizados por Brigitte Simon entre 1968 y 1974, otros por Anne Le Chevalier entre 1977 y 1982, otros por el pintor Jean Le Moal entre 1978 y 1989. Finalmente, el gran techo de vidrio del transepto sur fue realizado por Francois Chapuis. Con sus 25 m de alto y 5,30 m de ancho, es sin duda uno de los techos de cristal más grandes de Francia.
La Catedral de San Pedro y San Pablo de Nantes también alberga una cripta románica del siglo XI y una cripta más grande del siglo XIX, que hasta la hora de cierre albergaba una exposición permanente sobre la historia de la catedral.