Les transformations de Notre-Dame à l’époque moderne (XVIe-XVIIIe) sont conditionnées par la redéfinition liturgique du sanctuaire en conformité avec les décisions du Concile de Trente, par le contexte politique que caractérise la volonté monarchique d’assurer l’unité du pays en dépit de la fracturation religieuse et par l’évolution du goût. Le chœur et le sanctuaire, parties les plus sensible de l’aménagement intérieur, sont profondément remaniés (1708-1712) par décision de Louis XIV (« Vœu de Louis XIII ») et avec le financement du chanoine Antoine Delaporte dont le cercueil a été récemment retrouvé. À la fin de son épiscopat (1728), le cardinal de Noailles commande à Germain Boffrand d’importants travaux de restauration, en particulier une délicate reprise en sous-œuvre de la voûte de la croisée du transept, sous la flèche. Pendant celui de Christophe de Beaumont (1746-1781), la cité épiscopale et le parvis font l’objet de nombreux remaniements. Louis XV commande à Soufflot (1756) un bâtiment pour la sacristie au flanc sud du chevet en substitution de l’édifice médiéval. Au début de la Révolution, la cathédrale est toujours un lieu important de la vie politique et religieuse aussi longtemps que le catholicisme reste religion d’État.
Pendant le Concordat (1801-1905), Notre-Dame consolide cette fonction de « cathédrale nationale ». Le sacre de Napoléon (1804), qui attire l’attention de l’Europe entière sur la cathédrale, ouvre la voie à une impressionnante série de cérémonies : de la restauration à la Troisième République, s’y succèdent, entre autres, le baptême du roi de Rome (1811), le baptême du duc de Bordeaux (1821), le Te Deum pour la prise d’Alger (1830), le baptême du comte de Paris et les obsèques du duc d’Orléans (1841), le mariage de Napoléon III (1853), le Te Deum pour la prise de Sébastopol (1855), le baptême du prince impérial (1856), les obsèques du président Carnot (1898), le Te Deum de la Victoire (1918), le Te Deum de 1944 avec le général de Gaulle jusqu’aux funérailles du président Mitterrand (1996).
Dans le même temps, Notre-Dame acquiert progressivement le statut de « premier monument historique du pays ». Au moment où elle s’engage dans une ambitieuse et innovante politique patrimoniale, la Monarchie de Juillet décide, dans un grand moment de concorde parlementaire, le lancement d’un considérable chantier, en faisant voter une loi de finances (1845) sur un édifice dont Victor Hugo a fait le héros principal de son roman Notre-Dame de Paris (1831). Les architectes Jean-Baptiste Lassus et Eugène Viollet-le-Duc sont chargés des travaux, à l’issue d’une procédure de concours peu courante à l’époque. À la mort de Lassus (1857), Viollet-le-Duc reste l’unique responsable du chantier.
La restauration de Notre-Dame apparaît alors comme l’un des plus importants chantiers d’Europe sur un édifice médiéval, d’autant que Napoléon III et le préfet Haussmann profitent de l’occasion pour remodeler complètement l’organisation urbaine de la Cité. Elle se distingue par le projet de concevoir une déontologie rigoureuse dans la définition du projet et la mise en œuvre du chantier. Mais la volonté d’intervenir de façon scientifique et positiviste se heurte à d’autres impératifs, d’ordre architectonique, esthétique et liturgique. Le « Vœu de Louis XIII » est partiellement sacrifié ; une flèche nouvelle, chef d’œuvre de charpente, est dressée à la croisée du transept ; un nouveau bâtiment du Trésor-sacristie se substitue à la construction de Soufflot. Grâce au financement du chanoine de Place sous le Second Empire, Viollet-le-Duc dispose à la cathédrale de Paris un décor mural dans l’ensemble des chapelles latérales du chœur et de la nef. Une partie de ces décors sera détruite par les Monuments historiques dans les années 1960 au nom du goût moderne qui règne alors. Dans le cadre des travaux consécutifs à l’incendie de 2019, il n’est pas envisagé aujourd’hui de les restituer.