Entreprise vers 1100 par la nef, la construction de Notre-Dame, vaste église-mère d’un diocèse séparé en 1146 de celui de Noyon, est poursuivie de 1150 à 1200 env. par le transept.
En 1243, l’évêque Walter de Marvis lance la reconstruction du choeur, dédicacé en 1255. Le porche ouest est ajouté au XIVe s.. Saccages en 1566 et dégâts à la Révolution. L’édifice a une longueur totale de 134 m. La nef romane (haut. : 26 m) à tribunes et coursière haute est voûtées d’arêtes du XVIIIe.
D’une ampleur exceptionnelle, le transept romano-gothique (67 m) à deux absides hémi-circulaires est le seul achevé du type à cinq clochers (83 m) dont une tour-lanterne (50 m sous clef). Le profond choeur gothique de style rayonnant, à cinq chapelles absidales, très hardi (33 m) et très lumineux, pose des problèmes de stabilité. Chapiteaux romans, portails latéraux et peintures murales du XIIe, jubé renaissance, vitraux des XVe et XVIe, trésor.
La cathédrale de Tournai figure sur la Liste du patrimoine mondial de l’UNESCO.
Le diocèse de Tournai a changé plusieurs fois de configuration au cours des siècles. A l’origine, il appartenait à la province ecclésiastique de Reims. Il comprenait alors trois archidiaconés (Tournai, Gand, Bruges).