L’insuffisance de données historiques et archéologiques laisse dans l’ombre l’histoire et la durée de sa construction. On en est réduit à faire des propositions qui font débat ; certains placent le début des travaux vers 1120 ou 1140. Mais on décèle d’est en ouest une évolution de styles ou des particularités architecturales qui suggèrent un étalement du chantier vers la fin du XIIe siècle, donnant une datation plus tardive pour certaines grandes arcades de la nef centrale. Rien ne prouve qu’au terme de ce long chantier la cathédrale ait été couverte de voûtes avant 1200. La structure romane conservée, l’usage du marbre, laissent transparaître une certaine sensibilité à l’architecture antique que faisaient connaître les ruines de la ville gallo-romaine et les découvertes archéologiques de l’époque.

Mais, soit par économie, soit de parti pris, la reprise des travaux pour l’achèvement, la mise au goût du jour et l’agrandissement de l’église (XIIIe – XIVe siècles), a préservé sur sept travées la partie basse (au-dessous du triforium) de l’édifice roman, Dans la grande nef des pilastres cannelés adossés aux piliers rythment la succession des grandes arcades qui retombent sur des chapiteaux en marbre tantôt historiés, tantôt ornés de motifs végétaux tantôt portant des figures allégoriques, tantôt inspirés d’un bestiaire fabuleux. Plus singulier, le cycle des chapiteaux de la Passion forme un ensemble cohérent dans la partie occidentale de l’édifice roman (en rapport avec la chapelle du Saint-Sépulcre héritée de la cathédrale carolingienne, et conservée alors à l’intérieur, à proximité de la façade).

D’autres éléments sculptés ont été sauvegardés par les responsables des campagnes postérieures. Ils ont été intégrés, de façon aléatoire, dans les élévations de la cathédrale au fur et à mesure des travaux, visibles en partie dans les nefs, en partie dans les combles : les trois statues de saint Pierre, saint Paul, saint Jean ; un zodiaque qu’on pourrait supposer provenir d’un portail ; une archivolte à la porte nord (rinceaux crachés de visages de profil) ; des éléments de frises (entrelacs en forme de treillis, figures, masques, feuillages) ; une série d’arcatures provenant du mur gouttereau nord et réinstallées au XIVe ou XVe siècle au-dessus des murs fermant les chapelles nord....

C’est au long épiscopat de Jean de Bernin (1216-1266), marqué par de nombreuses constructions édilitaires ou religieuses, que l’on attribue une relance des travaux. Leur financement est assuré par les dons, les legs et les contributions d’abord volontaires, puis imposées au clergé ou aux chanoines.

La longueur du chantier qui va se prolonger pendant plus de trois siècles, pour arriver à l’achèvement de la cathédrale au XVIe siècle s’explique sans doute aussi par la faiblesse des revenus de l’Eglise même de Vienne. La récupération de matériaux antiques (calcaires, marbres) correspond sans aucun doute à un souci d’économie : éviter le coût des transports de la pierre, d’une carrière au chantier. Dans les parties occidentales, les plus récentes, le choix même de la molasse extraite de sites locaux ou régionaux répond vraisemblablement au même souci.

La succession des campagnes de construction a été reconstituée à partir des observations archéologiques sur les élévations, des changements stylistiques dans l’architecture ou la sculpture, de la présence des armoiries des donateurs, et de quelques sources écrites anciennes. Récemment les travaux de restauration de la cathédrale, sur sa face nord, ont apporté de nouvelles données archéologiques sur l’articulation entre la phase « romane » et celle des XIIIe et XIVe siècles. Des  recherches dans des fonds d’archives sont aussi en cours.

Transition entre les édifices roman (à droite) et gothique

Pour la chronologie voir la page "un raccourci chronologique".

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