Lorsqu'au VIe siècle Cambrai devient siège d'évêché, une première cathédrale est bâtie dans l'ancien castrum gallo-romain. Elle fait place entre 1161 et 1251 à une nouvelle construction de style gothique, longue de 130 mètres. Son clocher-porche, surélevé au XIVe siècle et couronné par une flèche ajourée est surnommé " merveille des Pays-Bas ". Le décor intérieur de l'église s'enrichit au fil des siècles de nombreuses oeuvres d'art dont certaines sont conservées au musée. Cet immense ensemble composé de la cathédrale et du palais de l'évêque fut saisi à la Révolution, revendu et utilisé comme carrière de pierres. Seules subsistent la tour du chapitre et l'entrée du palais archiépiscopal, actuel portail de la sous-préfecture. Edifié en 1620, sous l'épiscopat de Monseigneur Vanderburch, il est orné de sculptures de Jaspar Marsy.