Er is weinig bekend over de ontstaansgeschiedenis van deze kathedraal. Vanaf de 5e eeuw tot begin 19e eeuw had Chalon-sur-Saône een bisschop. Opgravingen wijzen erop dat de kathedraal van de eerste bisschoppen was gebouwd op de resten van een oude Gallo-Romeinse tempel; ongeveer op de plek waar nu de kathedraal Saint-Vincent staat. De bouw van de huidige kathedraal vond plaats in de periode van 1090 tot 1522.
De kathedraalgroep bestond oorspronkelijk uit een bisschoppelijk paleis, de kathedraal, de kloostergang en de huizen van de kanunniken. De bouw van de kathedraal is rond 1090 gestart in Romaanse stijl. Hij is verder opgetrokken in gotische stijl en de façade is neogotisch. Bijzonder in het interieur zijn het Brussels tapijtwerk uit 1510 en het glas-in-lood venster uit de 16e eeuw.
De Saint-Vincent is de enige kathedraal in Bourgondië met een bewaard gebleven kloostergang voor de kanunniken (de priesters die de bisschop hielpen met zijn taken). De arcade rond de binnenplaats van de kerk was bedoeld om de kanunniken een vredige en serene plek te bieden waar ze konden lezen en in stil gebed konden gaan. De overkapping beschermde hen tegen zon en regen.
Er was al een kloostergang voordat de huidige kathedraal werd gebouwd. In de loop der eeuwen is die aangepast. De huidige constructie dateert uit de 14e eeuw en is herbouwd vanaf muren die er al stonden vanaf omstreeks het jaar 1000. De kloostergang werd rond 1500 voorzien van gewelven die het houten dak vervingen. Waar de bogen elkaar kruisen waren destijds afbeeldingen bevestigd met daarop de wapens van de rijken families die geld hadden gedoneerd voor de welven.
Net als het andere religieuze erfgoed van Frankrijk werd de kloostergang na de revolutie (1789) bestempeld als nationaal bezit en in delen verkocht. Nieuwe eigenaren sloopten een deel van de noordelijke galerij. Vanaf 1821 kwam een deel ervan in bezit van de gemeente en aan het einde van de 19e eeuw werd het eerste stuk gerestaureerd. Sinds 1956 is de volledige kloostergang van de gemeente. De noordelijke vleugel is recent hersteld. In 2019 werd de kloostergang weer geopend voor publiek.
Tot eind 2025 vinden er grote onderhoudswerkzaamheden plaats aan de kathedraal. Het gebouw zal dan vaak gesloten zijn voor publiek.