Schon in spätrömischer Zeit versammelten sich Christen dort, wo heute der Dom steht. Auf Vorgängerbauten wurde um 870 der karolingische Dom („Hildebolddom“ oder „Alter Dom“) errichtet. Die 1164 vom Kölner Erzbischof Rainald von Dassel aus Mailand verbrachten Gebeine der Heiligen Drei Könige machen den Kölner Dom zu einer der bedeutendsten europäischen Wallfahrtkirchen – die bald zu klein für den Andrang wurde.
1248 legte Erzbischof Konrad von Hochstaden den Grundstein für den neuen, gotischen Dom. Schon 1322 wurde der fertig gestellte Chor durch Erzbischof Heinrich von Virneburg geweiht. Den Bauteil nach Westen schloss eine Mauer ab, so dass man im gesamten Chorbau die Messe feiern und das Domkapitel sich im Binnenchor versammeln konnte. 50 Jahre später war der Südturm auf zwei Stockwerke in die Höhe gewachsen. Aus der Zeit der Gotik stammen die in der Ausstellung präsentierten Fassaden- und Grundrisse, Skulpturen sowie Reste des vergoldeten Gitters der Dreikönigenkapelle.
1437 wurden die Glocken in den Südturm übertragen, um 1450 die Arbeiten am Südturm eingestellt, nachdem mit dem Bau des Nordturms begonnen worden war.
Zwar hatten die Kölner sich seit der Schlacht von Worringen 1288 von der Herrschaft des Erzbischofs befreit und sich mit dem Verbundbrief 1396 eine zunftdemokratische Verfassung gegeben, doch blieb Köln eine streng katholische Stadt. 1520 wurden Luthers Schriften auf dem Domhof verbrannt.
Bis etwa 1530 wurde am Dom gebaut. Geldmangel, Desinteresse und die Bedürfnisse einer neuen Epoche führten dazu, dass die Bauarbeiten um 1560 eingestellt wurden. Das Mittelschiff des Langhauses wurde mit einem Notdach geschlossen. Der Bau blieb äußerlich ein Fragment. Das Innere war jedoch ein großer und wohl als ausreichend empfundener Kirchenraum, der auch in den folgenden Jahrhunderten reich ausgestattet wurde.
