L'extinction du chapitre cathédral en 1790 et le transfert de l'évêché en 1801 vers la bastide Saint-Louis menace l'état de l'ancienne cathédrale. L'inquiétude des paroissiens et la découverte par Jean-Pierre Cros-Mayrevieille du tombeau de l'évêque Guillaume Radulphe dans l'une des chapelles, favorise le classement de l'édifice en 1840. Dès lors, le sort de l'église est placé entre les mains de la Commission supérieure des monuments historiques. En 1843, Mérimée fait appel à Eugène Viollet-le-Duc pour lui confier l'étude et l'expertise de l'église, ce qui constitue en fait la première intervention du jeune architecte à Carcassonne.Les travaux de restauration débutent sous la responsabilité de Viollet le Duc dès l'année 1844. Il s'entoure d'une équipe de maçons, maîtres verriers, sculpteurs et de l'entrepreneur Jean Magné, qui l'accompagnera tout au long des travaux sur les fortifications de la cité. Le chantier se poursuit jusqu'en 1864. Viollet-le-Duc reconstruit la façade occidentale, rénove les vitraux, les piliers de la nef, les contreforts et les maçonneries du chœur. Par souci de conservation des sculptures originales, les gargouilles et les corniches ornant les parties hautes de l'église sont déposées et restituées.
La nef romane
La bénédiction des pierres du chantier par le pape Urbain II, le 12 juin 1096, atteste les débuts de la construction de la cathédrale Saint-Nazaire-Saint-Celse dans l'angle sud-ouest de la cité. L'édifice présente un plan en croix latine où se développe une large nef romane voûtée d'un berceau brisé, épaulée par deux collatéraux aux voûtes en plein cintre. Le chevet, détruit lors des travaux de reconstruction à l'époque gothique, était vraisemblablement composé d'une abside cantonnée par deux absidioles inscrites dans l'axe des bas-côtés. L'entrée s'ouvre au nord sur la troisième travée de la nef ; c'est un portail orné de sculptures, logé sous les voussures concentriques d'un massif légèrement saillant sur la façade.
Le tombeau de Guillaume Radulphe
Cette chapelle funéraire a été élevée à partir de 1259 sur le flanc sud de la cathédrale par l'évêque Guillaume Radulphe (1255-1266). L'édifice, qui constitue la première manifestation du gothique rayonnant en Languedoc, est formé d'une nef unique et d'une abside polygonale, aux voûtes d'ogives reçues par de petits chapiteaux aux feuillages naturalistes. Le tombeau de l'évêque est dominé, sur le mur ouest, par la figure du prélat. La cuve décorée d'un rinceau végétal jaillissant de la gueule d'un monstre est consacrée aux funérailles avec son cortège de chanoines, d'officiants et de pleurants. L'âme de l'évêque est représentée par un petit enfant que deux anges élèvent vers les cieux.
Le chevet gothique
Le chantier de la reconstruction du chevet de la cathédrale (1270 - 1320) a permis d'associer à l'ancienne nef romane un transept et une travée de chœur distribuant six chapelles et une abside polygonale. Entre les retombées des fines nervures des voûtes, vingt-deux verrières, dont deux grandes roses, se substituent aux murs afin de célébrer la spiritualité de la lumière. La vie du Christ préside dans l'abside tandis qu'au sud et au nord, deux chapelles ont reçu les vitraux consacrés à l'Arbre de Jessé et à l'Arbre de Vie. Les roses aux motifs géométriques sont dédiées à la Vierge Marie et au Christ et diffusent la lumière dans les croisillons du transept. Le parti ornemental est complété par un programme sculptural profondément novateur en Languedoc. Vingt-deux statues adossées aux colonnes recevant la retombée des voûtes de la travée de chœur et de l'abside sont placées sous des dais ornés de gâbles et de pinacles. Les nuances sensibles dans les modelés et les attitudes des personnages permettent de distinguer trois artistes : le sculpteur du collège des Apôtres, le sculpteur de l'Annonciation inspiré très directement du style gothique rayonnant, et le maître de la Vierge et de saint Nazaire dont l'originalité a profondément influencé la sculpture languedocienne du XIVe siècle.
