Au début du XI siècle, l'évêque Hubert de Vendôme (1006-1047) fit construire une nouvelle cathédrale romane à nef unique. Cette nouvelle cathédrale fut consacrée le 16 août 1025. Mais à peine achevé, cet édifice brûla en 1032. L'évêque Geoffroy de Tours remit la cathédrale en état durant la seconde moitié du XI siècle. L'autel du crucifix fut béni en 1051 et le nouveau maître-autel fut consacré en 1096.
Peu après les évêques Renaud de Martigné (1102-1125) et Ulger (1125-1148) entreprirent la reconstruction de cette cathédrale. Celle-ci se déroula progressivement sous l'impulsion notamment des évêques Normand de Doué (1148-1153) et Guillaume de Beaumont (1202-1240).
Normand de Doué et Guillaume de Beaumont firent reconstruire la nef ainsi que le monumental portail face au parvis. La nef unique s'inspire de celles de la cathédrale d'Angoulême et de l'abbaye de Fontevraud.
Les structures de base des murs de la nef, de style roman, ont subsisté jusqu'à mi-hauteur. Ils ont reçu au milieu du XII siècle des colonnes et des voûtes d’ogives : c'est la naissance du gothique angevin. La nef romane à vaisseau unique ouvre ainsi sur un transept et un chœur gothiques — ce dernier a été aménagé en débord sur l'enceinte tardo-antique de la Cité.
Au XVIsiècle, l'architecte angevin Jean Delespine ajouta à la base des deux tours, la galerie des personnages représentant des chevaliers, compagnons de Saint-Maurice. Sur cette galerie, il fit élever, dans le style Renaissance, un deuxième niveau, ayant l'aspect d'une tourelle carrée surmontée d'un clocheton exagonal.
La cathédrale d'Angers est constituée de deux flèches. La construction de la flèche nord se fit en 1518 et celle de la flèche sud en 1523.
En 1806, fut détruit pour raison de vétusté, un porche monumental qui s'élevait devant la façade de la cathédrale, face au parvis.
Ce porche, de style gothique angevin, placé devant le portail d'entrée, possédait deux niveaux. Reste de nos jours, quatre arcs d'ogive, seuls témoignages de cet ancien porche médieval.
Divers projets de reconstruction furent élaborés durant le XXsiècle, mais aucun d'entre eux n'aboutirent.
