La construction romane de l’évêque Fulbert comprenait une église basse, une vaste nef sans transept, longue de 105 mètres, couverte d’une charpente. On peut imaginer son ampleur à partir de la cathédrale actuelle puisque la largeur de l’édifice roman conditionne celle de la nouvelle construction.
De la basilique romane reste la crypte, qui date donc des années 1020, et sur laquelle a été posée la cathédrale gothique. Destinée à canaliser la dévotion des pèlerins, elle a une forme remarquable : c’est un immense couloir qui dans sa partie orientale s’incurve en hémicycle pour permettre de tourner autour du lieu saint. Cet anneau dessert trois profondes chapelles. L’originalité de cette crypte est de ne pas comporter de salle centrale : il s’agit d’un grand axe de circulation adapté aux longues processions des pèlerins venus se recueillir auprès de la relique de la Vierge et de l’effigie de Notre-Dame-sous-Terre.