La cathédrale est l'église de l'évêque au cœur d'un diocèse. Son histoire ancienne est floue, mais un évêque nommé Denys aurait évangélisé Lutèce (la future Paris). Des traces archéologiques confirment la présence d'une cathédrale sur l'Île de la Cité dès le IVe siècle.
L'évêque supervise le culte chrétien, administre les sacrements et encadre la vie religieuse. À partir du IXe siècle, la cathédrale était également desservie par des chanoines—des clercs dédiés aux fonctions liturgiques et pastorales. Au XIIe siècle, ils étaient au nombre de 51, la plupart nommés par l'évêque, avec deux élus par le chapitre lui-même. Ces postes étant influents, papes et rois s'efforçaient de faire nommer leurs candidats préférés.
En 829, le concile de Paris octroya aux chanoines leurs propres biens (la mense), dont ils tiraient un revenu appelé prébende. Ils étaient des chanoines « séculiers » et ne vivaient pas en communauté. Ils occupaient des maisons au nord de la cathédrale, dans un quartier spécial, tandis que l'évêque résidait dans un palais au sud (détruit en 1831). À partir du XIIe siècle, les chanoines ne dépendaient plus de l'autorité de l'évêque de Paris mais directement de l'autorité pontificale. Cela provoquait parfois des tensions.
Un doyen, élu par les chanoines mais installé par l'évêque, dirigeait le chapitre. Sept chanoines avaient des fonctions spéciales : le précentor (assisté par le sous-précentor), trois archidiacres, le chancelier et le pénitencier. Les chanoines se réunissaient chaque jour pour la liturgie des heures, dirigée musicalement par le précentor. Il dirigeait également le chœur, qui comptait 16 à 18 chanteurs adultes et 8 à 12 enfants de chœur. Il supervisait l'école du chœur, où les enfants de chœur – souvent fils de petits nobles, d'artisans de la ville ou orphelins – apprenaient les Matines, la musique et le chant liturgique. Lorsque leur voix muait, ils poursuivaient leur éducation à l'université ou devenaient eux-mêmes chanteurs.
Les archidiacres aidaient l'évêque à nommer les curés de paroisse et à examiner les candidats à la prêtreé, les séminaires n'existant pas encore. Ils inspectaient les églises locales et les institutions caritatives. Le chancelier rédigeait les documents officiels, gardait le sceau et la bibliothèque, et dirigeait l'école de théologie et de droit de la cathédrale. En tant que chancelier de l'Université de Paris, il accordait également des licences d'enseignement. Le pénitencier pouvait remplacer l'évêque lors de certaines fêtes et préchait au peuple.
De nombreux chapelains—probablement une centaine—célébraient des messes dans les 32 chapelles construites aux XIIIe et XIVe siècles le long des bas-côtés de la cathédrale et autour de son chœur gothique. Plusieurs confréries venaient pour des dévotions spéciales, tandis que les corporations de métiers y organisaient également des offices. Onze sergents armés assuraient l'ordre et la sécurité en ouvrant et fermant les portes. Un trésorier, appelé chevecier, veillait sur les offrandes, le trésor et les objets liturgiques.
Une fois la cathédrale gothique achevée sous l'évêque Maurice de Sully, elle cessa de fonctionner comme église paroissiale pour les résidents locaux, qui reçurent dès lors les sacrements dans leurs propres paroisses. Ils continuaient cependant à visiter Notre-Dame pour prier la Vierge Marie et les saints dont les reliques y étaient conservées. Le chœur, fermé par un jubé, était réservé au clergé et à certains invités, comme la famille royale.
Bien que Paris soit devenue la capitale du royaume avec environ 250 000 habitants au début du XIVe siècle, son évêque restait suffragant de l'archevêque de Sens. Le roi Charles V tenta en 1377 d'élever l'évêque de Paris au rang d'archevêque, mais cela ne réussit qu'en 1622.
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