W końcu X w. biskupi Liège stali się władcami księstwa, a relikwie św. Lamberta spoczywające w katedrze miały je chronić przed wrogami. Następna przemiana katedry nastąpiła za czasów pierwszego księcia-biskupa Notgera na przełomie X i XI w. Wzniesiono wówczas kolejną budowlę w stylu romańskim, długą na niemal 100 m. Szczątki św. Lamberta umieszczono w krypcie pod kościołem. Nowa katedra była budowlą dwuchórową i dwuwieżową i stanowiła wzór dla późniejszej architektury regionu nadmozańskiego. Rozkwitająca w tym okresie szkoła katedralna uczyniła z miasta wiodący ośrodek intelektualny Europy.
W nocy z 28 na 29 kwietnia 1185 katedrę niemal całkowicie zniszczył pożar. Odbudowę świątyni rozpoczęto wkrótce po tym; w 1189 arcybiskup Kolonii Filip z Heinsbergu (pod nieobecność biskupa Liège przebywającego na krucjacie) poświęcił pierwszą jej część (zachodnią), a w 1200 pochowany został tu biskup Albert z Cuyck. Prace trwały jednak dłużej. Nowa katedra była budowlą gotycką, zwieńczoną trzema wieżami, z których ostatnią wzniesiono w XV w. Nowa świątynia stanęła na planie podobnym do poprzedniej świątyni romańskiej, z rozbudowaną częścią zachodnią.