Pour remplacer le petit édifice originel on construit au XIème siècle une église abbatiale bâtie sur le plan d’une basilique, avec une nef à 8 travées que l’on peut toujours admirer de nos jours.
Au XIIème siècle on construit l’abside ainsi que la porte romane monumentale dite porte de morts, chef d’œuvre de l’art roman qui est aussi toujours en place.
A la fin du XIIème siècle commence une période de troubles qui va durer jusqu’à la fin du XVIème, avec des dégradations et reconstructions multiples qui vont à chaque fois modifier un peu l’aspect de l’église, devenue cathédrale au XIVème siècle.
On peut toutefois retrouver bon nombre d’éléments gothiques construits au XVème siècle. C’est au XVIIIème siècle que l’église va prendre son aspect définitif : par manque de moyen on rase le chœur (qui se trouvait au niveau du parking actuel) laissé à l’abandon depuis le XVIème siècle.
Dotée d’un nombre impressionnant de reliques et œuvres d’art, la cathédrale Saint-Pons est aussi un mélange assez incroyable d’architectures d’écoles et de périodes différentes, et c’est un bâtiment d’une taille imposante qui marque l’importance de Saint-Pons-de-Thomières au Moyen-Age.
