Pozostałości budowli świątynnej w tym miejscu, pochodzące z końca IV wieku lub początku V wieku odkryto w 1948 i 1956 roku. W VIII wieku pierwszą katedrę zastąpiono ważniejszym budynkiem, który został ukończony za panowania Karola Wielkiego. Pierwsze przesłanki o katedrze pochodzą z VII w., kiedy to świątynię erygował biskup strasburski, później święty Arbogast (zm. 618). U schyłku VII w. wzniesiona została in situ świątynia poświęcona Najświętszej Marii Pannie, lecz oprócz niewielkich fragmentów reliktów domniemanej świątyni nie zachowały się do dziś żadne świadectwa.
W następnym stuleciu, na miejscu poprzedniej katedry powstała kolejna świątynia, którą wzniesiono za czasów panowania Karola Wielkiego. Biskup Remigiusz von Straßburg (znany również jako Rémi) zgodnie ze swą wolą został pochowany w krypcie, zachował się również jego testament z datą 778. Prawdopodobnie katedra była miejscem przysięgi strasburskiej złożonej w 842 r. przez Ludwika Niemieckiego i Karola Łysego przeciw ich starszemu bratu, cesarzowi Lotarowi.
Niedawne badania archeologiczne potwierdziły istnienie karolińskiej katedry o trzech nawach zamkniętych półokrągłą absydą. Bishop Ratho (znany też jako Ratald, Rathold) w swoim poemacie opisuje bogatą dekorację, stanowiły ją elementy złocone i kameryzowane.