ในบริเวณสถานที่ตั้งของมหาวิหารนั้นเคยเป็นที่ตั้งของมหาวิหารในอดีตถึง 3 หลัง โดยหลังแรกนั้นสร้างขึ้นในสมัยคริสต์ศตวรรษที่ 5 ซึ่งมีหลักฐานพบถึงการก่อสร้างในฐานะโบสถ์เพื่ออุทิศให้แก่นักบุญอะเลอแตร์แห่งตูร์แน หนึ่งในมุขนายกแห่งตูร์แนในช่วงแรกของประวัติศาสตร์

ในปีค.ศ.​ 532 นักบุญเมดาร์ มุขนายกลำดับที่ 14 แห่งนัวยง ผู้ซึ่งก่อนหน้านี้ในปีค.ศ. 531 นั้นได้ให้ย้ายที่ตั้งของมุขมณฑลแห่งแซ็ง-ก็องแตง ไปอยู่เมืองนัวยงแทน ได้รับเลือกเป็นมุขนายกแห่งตูร์แนควบด้วยอีกตำแหน่งหนึ่ง ซึ่งทำให้สองมุขมณฑลนี้ปกครองร่วมกัน โดยเรียกเป็น มุขมณฑลนัวยง-ตูร์แน จนกระทั่งปีค.ศ. 1146 เมื่อสมเด็จพระสันตะปาปายูจีนที่ 3 มีรับสั่งให้แยกเป็นคนละมุขมณฑล

ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 9 - 11 นั้นได้มีการก่อสร้างมหาวิหารขึ้นเป็นหลังที่สอง โดยตามประวัติทราบว่ามีการเกิดอัคคีภัยครั้งใหญ่ๆจำนวนสองครั้ง (ในปีค.ศ. 881 และ ค.ศ. 1066) ซึ่งในแต่ละครั้งก็มีการบูรณะซ่อมแซมให้กลับมาอยู่ในสภาพเดิม ต่อมาในปีค.ศ. 1092 ได้มีการก่อตั้งแอบบีย์นักบุญมาร์ตินแห่งตูร์แน (ฝรั่งเศส: abbaye Saint-Martin de Tournai) อีกทั้งยังเป็นปีที่สิ้นสุดลงของโรคระบาดครั้งร้ายแรงใหญ่ ซึ่งเรียกกันว่า "Grand Peste" โดยได้มีประเพณีสำคัญเพื่อรำลึกถึงสถานการณ์นั้นโดยได้กลายมาเป็นประเพณีใหญ่ของชาวตูร์แน เรียกว่า "กร็อง โปรเซสซิยง" (ฝรั่งเศส: Grande Procession) ซึ่งยังมีอยู่ในปัจจุบันทุกๆวันอาทิตย์ที่สองในเดือนกันยายนของแต่ละปี

ต่อมาช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 12 ได้เริ่มมีการก่อตั้งลัทธิบูชาพระแม่ขึ้นในตูร์แน อีกทั้งความมั่งคั่งของเมืองรวมทั้งความต้องการที่จะแยกมุขมณฑลออกจากนัวยง จึงได้มีการผลักดันให้สร้างมหาวิหารหลังปัจจุบันขึ้นที่ตูร์แน ซึ่งถือเป็นวิหารหลังที่สามที่สร้างบริเวณที่แห่งนี้ การก่อสร้างเริ่มจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออก เริ่มที่บริเวณกลางโบสถ์ ไปยังบริเวณร้องเพลงสวด โดยบริเวณหลังคานั้นเริ่มขึ้นโครงสร้างในช่วงปีค.ศ. 1142 - 1150

ในปีค.ศ.​ 1146 มุขมณฑลตูร์แนก็ได้แยกออกจากมุขมณฑลนัวยงอย่างสิ้นเชิงโดยพระบัญชาของสมเด็จพระสันตะปาปายูจีนที่ 3 อาสนวิหารแห่งใหม่นี้จึงได้รับการเสกขึ้นเป็นอาสนวิหารเมื่อวันที่ 9 พฤษภาคม ค.ศ. 1171 ซึ่งยังถือเป็นวันสำคัญของมหาวิหารแห่งนี้จนถึงปัจจุบัน

ต่อมาในปีค.ศ. 1243 มุขนายกวอลแตร์ เดอ มาร์วี ได้เริ่มโครงการปรับปรุงส่วนบริเวณร้องเพลงสวดให้เป็นแบบกอทิกแรยอน็อง (ตามสมัยนิยม) โดยเริ่มจากการรื้อถอนส่วนบริเวณร้องเพลงสวดซึ่งเป็นแบบเดิม (โรมาเนสก์) โดยได้เสร็จสิ้นลงในปีค.ศ. 1255 โดยการปรับปรุงครั้งนี้ได้มีแรงบันดาลใจมากจากมหาวิหารอาเมียง และซัวซงเป็นอย่างมาก ด้วยการออกแบบในขนาดที่สูงโปร่ง กับลวดลายอันอ่อนช้อย โดยบริเวณที่สร้างใหม่นี้มีขนาดความยาวพอๆกับจุดตัดกลางโบสถ์รวมกันกับบริเวณกลางโบสถ์แบบโรมาเนสก์เดิม

ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 13 ได้มีการเริ่มบูรณะส่วนของหลังคาโค้งบริเวณแขนกางเขนภายใต้การปกครองของมุขนายกเอเตียน โดยในช่วงนี้ได้มีการก่อสร้างหอคอยกลางและหอระฆังทั้งสี่

ต่อมาในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 14 ได้มีการเริ่มบูรณะส่วนของหน้าบันหลักของวิหารฝั่งทิศตะวันตก โดยบูรณะเพียงส่วนมุขทางเข้าเป็นแบบสถาปัตยกรรมกอทิกเช่นกัน

เมื่อวันที่ 23 สิงหาคม ค.ศ. 1566 ได้มีการบุกรุกอาสนวิหารโดยผู้คลั่งลัทธิทำลายรูปเคารพ ซึ่งได้ทำลายงานตกแต่งภายในตั้งแต่สมัยยุคกลางไปเกือบหมดสิ้น ต่อมาการปฏิวัติฝรั่งเศสก็ได้มีการทำลาย ขโมยเครื่องเรือนและเครื่องตกแต่งภายใน รวมถึง แท่นบูชา หินอ่อน ระฆัง ฉากกางเขน แท่นเทศน์ ฯลฯ ซึ่งต่อมาในภายหลังจากความตกลง ค.ศ. 1801 แล้วจึงได้มีการฟื้นฟูอาสนวิหารขึ้นใหม่ทีละเล็กละน้อย โดยความช่วยเหลือของมุขนายกแห่งตูร์แนทั้งสององค์ในสมัยนั้น คือ มุขนายกฟร็องซัว-โฌแซฟ อีร์น ซึ่งเป็นผู้รวบรวมงานศิลปะที่สวยงามจากวิหารอื่นๆที่ถูกยุบลง โดยเฉพาะส่วนของพื้นหินอ่อนบริเวณร้องเพลงสวด และแท่นบูชาได้นำมาจากโบสถ์ของแอบบีย์นักบุญมาร์ตินแห่งตูร์แนซึ่งโดนยุบลง และอีกองค์หนึ่งคือ มุขนายกกาสปาร์-โฌแซฟ ลาบี ซึ่งเป็นผู้ริเริ่มการบูรณะครั้งใหญ่ที่กินเวลายาวนานถึงกว่าสี่สิบปี

ในสงครามโลกครั้งที่สอง ตูร์แนเป็นสถานที่ที่ถูกถล่มโดยกองทัพเยอรมันเมื่อเดือนพฤษภาคม ค.ศ.​ 1940 โดยได้ทำลายเมืองไปมาก รวมทั้งชาเปลแม่พระในสถาปัตยกรรมกอทิกยุคต้นคริสต์ศตวรรษที่ 16 ซึ่งเคยตั้งอยู่บริเวณติดกับทางเดินข้างฝั่งทิศเหนือของบริเวณกลางโบสถ์ ซึ่งชาเปลหลังนี้ถูกทำลายหมดสิ้น และมิได้มีการสร้างใหม่ในภายหลัง

เมื่อวันที่ 14 สิงหาคม ค.ศ.​ 1999 ได้มีพายุทอร์นาโดเข้าผ่านบริเวณอาสนวิหาร โดยหลังจากได้มีการคำนวณและวัดความสมดุลของตัวอาคารและหอระฆังทั้งห้าแล้ว ได้มีความกังวลเกิดขึ้นในความแข็งแรงของบริเวณโครงสร้างมหาวิหาร โดยทางเทศบาลแห่งตูร์แน มณฑลแอโน รวมทั้งมุขมณฑลตูร์แน ได้เริ่มทำโครงการบูรณะครั้งใหญ่เพื่อเป็นชุบชีวิตของอาสนวิหารแห่งนี้ขึ้นอีกครั้ง