La cathédrale actuelle est précédée de plusieurs édifices. Le premier est daté du IVe siècle et est détruit en 666 ou 667 par un incendie. Un second apparaît dans les textes en 920 sous le nom de Sainte-Cécile, la patronne des musiciens. Un ensemble épiscopal regroupe à cette époque, la cathédrale, mais aussi un baptistère et une chapelle dédiée à Saint-Pierre. Ces éléments d'architecture romane sont situés entre les bâtiments actuels de la cathédrale et du palais de la Berbie. De cette époque subsistent quelques arches de l'ancien cloître, plusieurs fois déplacées après être restées longtemps dans le parc Rochegude.
Au cours du XIIIe siècle, la cathédrale est profondément modifiée par des travaux de grande ampleur entre 1245 et 1260. A cette époque, l'évêque Durand accorde des indulgences aux donateurs et récupère la dîme détenue par des laïcs pour financer le chantier. Une ouverture permet la communication entre la cathédrale et le palais de la Berbie tout proche en construction. Il semble que les voûtes aient été refaites, mais les écrits restant manquent de précision. La construction de ses éléments se fait en grand appareil de pierre. Cette église perdure à côté de la nouvelle cathédrale pendant environ deux siècles sous le nom d'église vieille. Elle est finalement ruinée par le conflit entre deux évêques concurrents, Bernard V de Cazilhac, élu par le chapitre de chanoines et Robert Dauphin d'Auvergne nommé par le pape Eugène IV. Leur querelle dure de 1435 à 1462 et l'église disparaît des textes après 1437. Au siècle suivant, les ruines sont aplanies pour aménager une esplanade destinée à recevoir de l'artillerie durant les guerres de religion. Quelques éléments architecturaux existent toujours, inclus dans les murs de constructions plus récentes, vestiges de cet édifice de grande taille : éléments d'un portail suspendu en hauteur au nord, parties d'un portail sud pour les fidèles, pilier à colonne à base polygonale.
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