La cathédrale de Lausanne, inscrite comme bien culturel suisse d'importance nationale, a été édifiée en molasse en remplacement à des édifices antérieurs (cf. Kurmann, 2012, p. 51-53). La construction s'est étalée sur un siècle, débutant à la fin du XIIe et se terminant vers le milieu du XIIIe siècle (de 1173 à 1275 environ) (cf. Kurmann, 2012, p. 20, p. 55-90). La cathédrale est consacrée en 1275 en présence du pape Grégoire X, sous le vocable "Notre-Dame" (Kurmann, 2012, p. 22) et devient un lieu de pèlerinage marial (cf. Kurmann, 2012, p. 25-30).
Peu avant la Réforme, le passage routier qui divisait l'édifice en deux parties (massif occidental d'un côté, nef et choeur de l'autre) est supprimé lors de travaux réalisés sous l'évêque Aymon de Montfalcon (Kurmann, 2012, p. 259). En 1536, avec l'arrivée des Bernois et l'adoption de la Réforme protestante, l'édifice fait l'objet de déprédations et de dépouillements dus aux Bernois (cf. Kurmann, 2012, p. 39-41). L'édifice connaîtra de nombreuses campagnes de restauration (cf. Kurmann, 2012, p. 259-295), parmi lesquelles celle menée par l'architecte Eugène Violet-le-Duc dès 1874 (cf. Kurmann, 2012, p. 271-276).
Les vitraux de la célèbre rose de la cathédrale, posés durant la première moitié du XIIIe siècle dans une structure lapidaire commencée en 1205, présentent un vaste programme cosmologique (cf. Amsler, 1999). A la suite de deux concours organisés en 1918-1919 puis en 1928, des vitraux modernes viennent remplacer les anciennes vitreries en verre blanc datant de l'époque bernoise. Les artistes retenus lors des concours sont principalement des protestants (Edmond Bille, Charles Clément, Louis Rivier, François de Ribeaupierre), mais aussi les catholiques Marcel Poncet et Alexandre Cingria, pionnier du Groupe de Saint-Luc (cf. Donche-Gay, 1994).
Le bâtiment est aujourd'hui rattaché à la paroisse protestante Chailly-Cathédrale de Lausanne.