La actual catedral incorpora los restos de una antigua iglesia del siglo IV.
Tiene forma de basílica con triple nave, dos coros, transepto y siete torres.
Según las fuentes medievales, Elena, madre del emperador Constantino (la futura santa Elena), donó su casa en la ciudad romana de Augusta Treverorum a Agricio, el obispo de Tréveris.
El obispo Nicetio (526-561) hizo reconstruir el edificio cuadrangular y una parte de la iglesia septentrional por arquitectos italianos.
El frente occidental en cinco secciones simétricas sigue siendo típica de la arquitectura románica bajo los emperadores salios.
El coro del extremo occidental, con su semicilindro absidal expresado en la fachada exterior, se acabó en 1196.
Entre 1702 y 1708, se añadió al coro una habitación consagrada previamente para albergar la reliquia.