Parmi les vitraux on remarquera : la verrière de la Rédemption (plus ancienne verrière typologique au monde, inspirée des émaux mosans) du milieu du XIIe siècle, en particulier de l'autel portatif de Stavelot. Il s'agit d'un des premiers « montages » iconographique préférant la symbolique au narratif, en associant des passages-clé de l'ancien testament à la vie du Christ. Se distinguent notamment dans cette iconographie la présence de la Synagogue tenant la couronne d'épines et de Job pêchant le Léviathan. La rosace du transept nord (XIIIe siècle); les vitraux de l'abside offerts par saint Louis et représentant les saints évêques fondateurs de Châlons ; deux séries de figures de saints (1475) ; plusieurs verrières du XVIe siècle parmi lesquelles la Genèse.
La cuve baptismale romane en pierre de Tournai (milieu XIIe siècle) représentant des anges soufflant dans des trompettes aux angles et la résurrection des morts sur les faces.
Le tableau représentant la consécration de la cathédrale par le pape Eugène III en 1147, date du XVe siècle.
Orgue de Jean Abbey (milieu XIXe siècle), complété par ses fils en 1898. Cet instrument, relevé dans un style néo-classique en 1957 par Roethinger, a été restauré (2000-2006) dans l'esprit (composition et harmonisation) restituant l'orgue de 1898. Le 21 mars 2009, Mgr Gilbert Louis, évêque de Châlons, a consacré un nouvel autel (où des reliques de saint Étienne, saint Vincent, mère Léonie Aviat et un souvenir de sœur Odette Prévost ont été enchâssées). Il fait partie d'un ensemble avec la cathèdre et l'ambon, évoquant la Résurrection.