La chronologie de la reconstruction de la cathédrale après la chute du clocher de l’église préromane en 1276 a été précisée par Michèle Pradalier-Schlumberger, Caroline de Barrau et Étienne Hamon (Congrès archéologique de France 2009, p. 279 à 304). Sur un plan apparenté à celui des cathédrales de Toulouse et de Narbonne, l’édifice actuel a été commencé en 1277, le chantier étant mené d’est en ouest. Les cinq chapelles rayonnantes du chevet étaient en service entre 1300 et 1320, les six chapelles pentagonales des travées droites furent achevées peu après 1330 et les quatre suivantes, de forme carrée, n’étaient qu’amorcées vers 1400. Le choeur fut complété au milieu du 15e siècle, période d’intense activité qui vit la construction du transept puis, vers 1470, celle des deux premières travées de la nef. À partir du début du 16e siècle, la nef fut prolongée, les travaux prenant fin pour l’essentiel vers 1560. Ces campagnes successives et le renouvellement ponctuel du décor de certains espaces n’ont pas manqué de mobiliser des peintres verriers : Pierre Tizon est par exemple nommé dans un texte de 1492 aux côtés de l’architecte Guillaume Salvanh (Hamon, 2011, p. 304 n. 46). Mais, des verrières réalisées pour l’édifice du 14e au 16e siècle, n’est conservé qu’un nombre très réduit de panneaux, encore amoindri comparé à ce qui subsistait au milieu du 19e siècle. Vers 1840 le vitrage du pourtour du déambulatoire ne comptait déjà plus que « des débris, un peu plus considérables dans les seules chapelles du fond de l’hémicycle » (H. de Barrau, 1842-1843, p. 450 n. 3). En 1850-1852, Guilhermy releva dans la fenêtre axiale deux figures dont celle de saint Jean-Baptiste, qui devaient disparaître en 1869 ; dans l’ancienne chapelle de Pierrefort (baies 3, 5, 7), il décrivit des vitraux remplacés en 1872, un Christ en croix, les saints Laurent et Étienne, et un donateur agenouillé présenté par un saint évêque sous de grands dais. La chapelle dédiée vers 1378 aux archanges Michel et Gabriel par l’évêque Jean de Cardaillac (baies 10, 12, 14) s’ornait de ses armoiries signalées par Bion de Marlavagne (1875, p. 190), aujourd’hui perdues. Les éléments rescapés sont actuellement regroupés en deux fenêtres, selon ce qu’avait arrêté l’architecte Henri Nodet avant 1939. L’une de ces verrières a été recomposée par Francis Chigot en 1951 au sud du chœur, dans la fenêtre centrale de la chapelle Saint-Joseph (baie 12), avec des vestiges en majorité originaires de la baie 9 au nord. Cette dernière (baie de droite de la chapelle de Mgr Chaillol) a recueilli en 2003, en un arrangement dû à Pierre Rivière, les panneaux autrefois répartis dans la chapelle Saint-Laurent (baies 4, 6, 8), déposés en 1937 et confiés à la Société des Lettres, Sciences et Arts de l’Aveyron.

Parmi les panneaux disparates remontés dans ces deux fenêtres ont survécu de menus restes du vitrage du 14e siècle : en baie 9 les armoiries de Jean de Via, qui avait élu sa sépulture en 1348 dans la chapelle Saint-Laurent où on voit encore on tombeau, et en baie 12 une Vierge à l’Enfant contemporaine des peintures murales datées de 1340-1350 par Nicole Lançon (2011), ainsi que l’écu armorié jadis attribué à l’évêque Pierre de Pleinecassagne (1319), identifié comme celui de son lointain successeur Henri de Sévery (1387-1396) par Matthieu Desachy et Pierre Lançon. Les vitraux du 15e siècle, associés à ces minces fragments forment des groupes plus significatifs. Le plus ancien comprend le reliquat d’oeuvres caractéristiques de la production des années 1410-1420 : en baie 12, une élégante Vierge à l’Enfant traitée en camaïeu sur fond de damas bleu, et, en baie 9, en plus d’un dais isolé, d’importants morceaux d’un Jugement dernier. Si cette représentation occupait sa place primitive dans la chapelle qu’elle quitta en 1937, un document permet de l’attribuer au peintre et verrier originaire du diocèse de Florence Arquet de l’Arche (dell’Arca), installé à Rodez jusqu’à sa mort en 1427 (Arch. dép. Aveyron, E 1526 fol. 22, cité par Desachy, 2008). En 1411-1412, l’artiste reçut en effet de l’évêque Guillaume d’Ortolan plus de 300 livres pour décorer la chapelle Saint-Laurent de peintures murales et de verrières, et accessoirement pour peindre sa chambre en noir (Bion de Marlavagne, 1875, p. 191, 342). La carrière du commanditaire à la cour pontificale d’Avignon (cf. Jullien de Pommerol, 1986) suggère que ce diplomate au service de Clément VII et de Benoît XIII, rentré dans son diocèse en 1408-1409, a rencontré son peintre à la faveur de ses nombreuses missions en Italie. Les fragments conservés de ce Jugement dernier ne sont toutefois pas homogènes : le style raffiné et la technique soignée de la résurrection des morts peinte en grisaille et jaune d’argent se distingue du graphisme énergique des anges buccinateurs, singularité que ne suffit pas à expliquer leur plus grande échelle : ils pourraient résulter d’une sous-traitance, chacun des associés ayant utilisé ses propres modèles. Les disparités constatées ne peuvent en tout cas être imputées à la restauration pratiquée en 1460 par Guillaume Albaret, payé 3 sols 4 deniers pour la réfection d’un seul panneau de cette chapelle (Bion de Marlavagne, 1875, p. 191, 301, 345) : la résurrection en occupe quatre en l’état actuel et les anges six à eux seuls. Deux figures datables du milieu du 15e siècle sont remployées en baie 12, les saints Pierre et Paul découpés sur des tentures de couleur à grands rinceaux de feuillage et encadrés d’architectures jumelles. Autrefois placées à mi-hauteur des lancettes de la baie 9, dans la chapelle sous l’invocation de Saint-Paul depuis 1317, peut-être lui appartenaient-elles d’emblée, rejointes ultérieurement par la Vierge à l’Enfant de 1410-1420 et l’écu de la fin du 14e siècle d’Henri de Sévery. Dans l’une des fenêtres hautes du chœur dont quelques tympans conservent encore des verres anciens (baies 105 et 111), Guilhermy avait décrit un écu de Sévery ; il avait également noté là « quelques fleurs de lys d’or sur champ de gueules ou d’azur », bordures répétées au même niveau dans la nef, où deux fenêtres contenaient un double écu meublé d’un rosier ; ces armoiries reconnues par Hippolyte de Barrau (1842-1843, p. 430) étaient celles du chanoine Galhard Roux, donateur en 1523 du sépulcre sculpté de la troisième chapelle méridionale. Ces informations diffuses font entrevoir la simplicité du parti décoratif appliqué depuis le 14e siècle à l’ensemble de l’étage supérieur, encore perceptible dans la nef (baies 128, 130, 132) quoique largement modernisé en 1938-1939.

L’état actuel des fenêtres basses de la cathédrale est tributaire des créations multipliées du 19e au 21e siècle. La toute première, à l’entrée du déambulatoire au sud (baie 24), remonte à 1841 et est l’oeuvre d’Étienne Thévenot. Émile Thibaud, autre Clermontois, a signé avant 1860 dans la nef le vitrail de la chapelle du Rosaire (baie 28).

Formé chez Thibaud avant de s’installer à Rodez, Laurent Lachaize monopolisa ensuite les commandes. Mgr Delalle le chargea en 1869 de renouveler les vitraux de la chapelle axiale. Ils sont flanquées en baies 1 et 2 de vitreries néogothiques datées de 1870, où se lisent sa signature et celle de son collaborateur Claude Grenade. La chapelle mitoyenne au nord reçut l’année suivante deux sujets consacrés à Notre-Dame des Indes (baie 5), verrière entourée en 1872 de vitreries ornementales colorées. Lachaize a également vitré trois autres chapelles.

Suite au concours lancé en 1931 pour doter la chapelle Saint-Laurent de verrières accordées à son vocable renouvelé en 1921 – Notre-Dame de Lourdes –, Louis Barillet, Jacques Le Chevallier et Théodore Hanssen, retenus en 1933, ont introduit dans la cathédrale le langage moderne issu des milieux de l’Art sacré. Leurs vitraux sont posés en 1937. Le musée des Beaux-arts de Béziers conserve les maquettes proposées par Richard Burgsthal, candidat malheureux à ce concours comme l’atelier Mauméjean.

En 1933, Burgsthal obtint néanmoins la création de la rose nord, posée en 1936. Henri Nodet, l’architecte en charge de l’édifice, lui confia aussi la remise en état des vitraux des chapelles en 1935 puis celle des fenêtres hautes en 1938-1939. En 1943, les restaurations qui restaient à entreprendre firent l’objet d’un rapport détaillé de Maurice Berry, successeur de Nodet, et c’est avec l’atelier Chigot que les travaux furent poursuivis à partir de 1946.

L’étude de l’architecte en chef Dominique Larpin portant sur les chapelles du choeur a préludé au nouveau concours lancé en 2002 par la DRAC pour sept d’entre elles, et au choix en 2003 des projets de Stéphane Belzère, traduits de 2004 à 2006 par l’atelier Duchemin.

Parallèlement, l’Association aveyronnaise des combattants prisonniers de guerre a commandé à David Pons et Olivier Juteau une verrière commémorant leurs destinées entre 1939 et 1945, qui a pris place en 2006 au nord de la nef, dans la première chapelle après le transept. Dû aux mêmes artistes en 2011, le vitrail complémentaire de la chapelle suivante honore la vaillance des femmes pendant la période