La première cathédrale est élevée aux limites de l’enceinte gallo-romaine de la ville, dans les années 500. Son sanctuaire est incendié et la cathédrale est reconstruite au 12ème siècle dans un style roman. Il ne subsiste que peu de traces de cet édifice. Seul le chœur était encore visible jusqu’au 19ème siècle. L’histoire de la cathédrale de Saint Pierre et Saint Paul de Nantes se poursuit à la Révolution, lorsqu’elle est utilisée comme observatoire, écurie et lieu d’expérimentation scientifique. Les vitraux de la cathédrale de Saint Pierre et Saint Paul de Nantes ont été témoins des nombreuses épreuves de la ville au fil des siècles. Les vitraux rescapés en portent les traces. Peu ont survécu au cours du temps et notamment à l’explosion de l’une des tours du Château des Ducs en 1800 qui endommagea la cathédrale et souffla de nombreux vitraux. Les bombardements de la Seconde Guerre Mondiale ont eux aussi participé à la perte de ce patrimoine.
La cathédrale actuelle, de style gothique, est ainsi le troisième édifice élevé sur ce site. Sa construction date du 15ème siècle. Elle se fait progressivement, de la façade jusqu’à l’ancienne église romane. L’ensemble - façade, nef et collatéraux, voûte gothique, bras sud du transept et arcs-boutants - est terminé au 17ème siècle. Les vitraux visibles actuellement datent en majorité de la deuxième moitié du 20ème siècle. Certains ont été réalisés par Brigitte Simon entre 1968 et 1974, d’autres par Anne Le Chevalier entre 1977 et 1982, d’autres encore par le peintre Jean Le Moal entre 1978 et 1989. Enfin, la grande verrière du transept sud a été réalisée par François Chapuis. Avec ses 25 m de haut et 5,30 m de large, elle est sans doute l’une des plus grandes verrières de France.
La cathédrale de Saint Pierre et Saint Paul de Nantes abrite aussi une crypte romane du 11ème siècle et une crypte du 19ème siècle, plus vaste, qui accueillait jusqu’à la fermeture une exposition permanente relatant l’histoire de la cathédrale.