Ancien siège du diocèse de Chalon-sur-Saône, la cathédrale Saint-Vincent s'élève au cœur de la ville ancienne.
La façade ouest, qui se dresse au-dessus du marché de la place Saint-Vincent et qui date du xixe siècle, fut la première à adopter le style néo-gothique (elle remplace celle, qui a été détruite et qui comportait un clocher roman). Constituée d'un porche en terrasse (œuvre de Lebas), elle est surmontée du pignon de la nef centrale avec rose ajourée.
Cette façade est aussi flanquée de deux tours carrées symétriques, hautes de 42 mètres, du gothique flamboyant, que Antoine Chenavard (architecte lyonnais) proposa en 1827, car les deux anciennes tours, commençaient à s'effondrer. Ces deux tours, qui sont aux extrémités droite et gauche de la façade, sont couronnées de seize statues des patrons des quartiers et des communes chalonnaises (Saint Georges, Saint Laurent, Saint Vincent, Saint Jean, Sainte Marthe, Saint Paul). Ces statues furent sculptées par un certain Étienne de Saptes.
De l'extérieur, encore, en ce qui concerne le transept, son extrémité est percée par une petite porte gothique, surmontée d'un tympan. Un jardin, entoure le chevet et longe l'absidiole nord romane, puis contourne l'absidiole majeure gothique. Tandis que le cloître (de style flamboyant et aux colonnes portant des arcs trilobés) et le presbytère (demeure du doyen des chanoines de saint Vincent), collés l'un à l'autre, longent le collatéral sud de la cathédrale.
Cet édifice se compose de trois nefs (dont une nef centrale), d'un transept saillant, d'un chœur et d'un sanctuaire. Et pour André Salis, «  les dimensions mêmes sont symboliques ainsi que la structure. Ici la longueur intérieure est de 62,93 mètres  ; la largeur totale de 21,39 mètres  ; la nef centrale a 32,55 mètres de long, 10,24 mètres de large. Ces dimensions exprimées en mesures locales du xie siècle, se révèlent des multiples des chiffres sacrés sept (pour les longueurs) et trois (pour les largeurs). ».
Précisément dans la nef centrale, qui se compose de piles flamboyantes (pilastres cannelés, colonnes engagées et bases moulurées), ont été montées sur des arcs brisés, assis sur des piliers romans (datant de la seconde moitié du xiie siècle) des faisceaux à colonnettes. Au premier étage, un triforium (une galerie) à balustrade pleine, est visible, et permet de circuler dans l'épaisseur des murs. Entre les faisceaux à colonnes gothiques appuyées aux chapiteaux romans, chaque travée comporte cinq arcatures à sommet trilobé.
Ensuite au deuxième étage, une deuxième galerie, la coursière, à balustrade ajourée de quatre-feuilles, se met à jour. Quant à la voûte, qui est à plus de 24 mètres du sol, elle est sur croisée d'ogives et est complétée par une nervure axiale, la lierne. La nef s'achève donc après sept travées franchies, par une curiosité architecturale : une grande rose intérieure. Gothique, elle est percée au-dessus de l'arc roman, qui sépare la nef centrale du transept (c'est un vestige du temps où la nef, encore romane, couverte d'un plafond plat, était plus basse que le transept). Cet arc franchi, on arrive dans la croisée du transept.
Cette croisée se compose de piliers et d'arcs romans, ainsi que d'une voûte gothique. Initialement, elle devait être éclairée par trois faces : à l'ouest, éclairé par la rose, et au nord et sud, éclairée par deux baies géminées surmontées d'un oculus, mais qui aujourd'hui sont murées. Quant aux bras du transept, ils possèdent deux travées.
La croisée du transept franchie, on arrive au chœur, qui est surmonté de deux marches. Comme la croisée du transept, il possède des piliers et des arcs romans, plus raffinés. Le triforium, qui s'était arrêté avec la croisée du transept, reprend. Mais cette fois-ci, il est plus aérien et plus proche des sommets des arcs. Et chaque travée comporte trois baies dont les arcs brisés sont portés par des piles cylindriques.
En ce qui concerne la deuxième galerie, au niveau du chœur, elle fut originairement sans balustrade, mais aux cours du xive siècle elle se voit rajouter sur son côté sud une balustrade ajourée de quatre-feuilles. Quant aux voûtes gothiques, elles sont renforcées par deux arcs importants à l'entrée du chœur et à celle du sanctuaire.
Pour accéder à ce dernier, il suffit de franchir trois marches. Il est entièrement gothique, car l'abside semi-circulaire, a été remplacée par cette abside à cinq pans. Les trois fenêtres du rez-de-chaussée sont encadrées de deux colonnettes. Et une tapisserie, placée en 1965, provenant de Bruxelles, et datant de 1510, vient agrémenter la splendeur de ce sanctuaire. Haute de 6,75 mètres et large de 7,15 mètres, elle représente trois images bibliques et de l'eucharistie.
Les deux collatéraux sont jalonnés de chapelles dont chacune évoque la piété de ce temps de ferveur qui les vit construire.
La première chapelle, côté nord, fut bâtie en 1424 par Oudot de Malsin qui la dédia à Saint Michel et Sainte Catherine.La deuxième de style gothique flamboyant date de 1440.Tandis que la troisième associe le flamboyant et le style de la Renaissance ; elle fut construite en 1522 par des notables chalonnais et porte les vingt-quatre écussons de ces familles fondatrices.Les deux dernières chapelles sont plus modestes. Côté sud, le style roman prédomine. En effet ce collatéral est remarquable par ces grilles de pierres qui caractérisent le style bourguignon (que l'on retrouve notamment aussi à Saint-Gengoux-le-National). Il faut aussi noter, que la cinquième chapelle de ce collatéral est ornée d'une magnifique fresque de l'école bourguignonne de la fin du xve siècle.

L'origine de cette cathédrale reste très vague. On parle du IVe et Ve siècles. Ce que l'on sait, c'est que la première église fut édifiée sur l'ancien rempart gallo-romain et qu'elle occupa la place d'un temple antique. Et ceci est confirmé par la découverte d'une statue votive de Mercure dans le sanctuaire de la cathédrale en 1776, d'un autel dédié au dieu Mars derrière le chevet en 1850 et des effigies présumées de Marc-Aurèle trouvées au Doyenné en 1908.

L'église primitive que saint Agricole avait agrandie, fut détruite par les Sarrasins et reconstruite par Charlemagne qui y convoqua un grand concile en 813 (entre-temps, l'église qui était placée sous le patronage de Saint Étienne fut placée, vers 542, sous le patronage de Saint Vincent.

En réalité, la cathédrale que l'on peut qualifier de contemporaine fut bâtie entre 1090 et 1522. On en doit la chronologie à l'abbé Salis (mort en 1970), qui connaissait tout de Saint-Vincent et qui avait consacré une partie de sa vie à en percer les mystères. De cette chronologie en résulte deux principales périodes : l'âge roman et l'âge gothique.

Cet édifice se compose de trois nefs (dont une nef centrale), d'un transept saillant, d'un chœur et d'un sanctuaire

La cathédrale Saint-Vincent, bâtie entre 1090 et 1520, possède une façade néogothique datant de 1827, un cloître des xive et xve siècles. On y remarque la présence de la tombe de l'évêque saint Loup de Chalon au début du viie siècle, qui a notamment donné son nom à la petite ville de Saint-Loup-de-Varennes, toute proche. Les tours contiennent deux cloches qui pèsent environ 500 kg et 1 000 kg, ainsi qu'un bourdon de 4,3 t, qui actuellement ne peut plus sonner à la volée, mais seulement en tintements (notamment pour des obsèques)

La fontaine "boule"

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Place du marché et cathédrale Saint-Vincent.