Parmi les merveilles de Chartres, les quatre verrières, préservées de l’incendie de 1194 qui détruit l’ancienne cathédrale, sont des témoins privilégiés de l’art roman. La plus célèbre, la « Belle-Verrière », exalte la Vierge, trône de la Sagesse. Peinte au milieu du XII° siècle, elle est disposée après l’incendie à l’entrée du sanctuaire, une manière de faire de Marie la « Porte du ciel ». Elle est restaurée en 1906 par le verrier Gaudin, qui retrace les drapés de sa robe, remplace sa tête et lui confère la légère inclinaison que nous lui connaissons aujourd’hui : elle avait à l’époque romane une attitude strictement hiératique, propre aux Majestés de ce temps. Les artistes romans avaient choisi, pour peindre la chemise de la Vierge, dont la très précieuse relique était conservée à la cathédrale de Chartres depuis le IXème siècle, un verre d’un bleu très pâle. Eclairci de nombreuses bulles d’air qui lui donnent une luminosité céleste, ce bleu a rendu Chartres universellement célèbre. Les trois autres verrières romanes, à la façade occidentale, sont consacrées au Christ. L’annonce de sa venue dans l’Ancien Testament est organisée à travers le thème de l’Arbre de Jessé, comme à l’abbatiale de Saint-Denis. La Vie du Christ, depuis l’Annonciation à l’Entrée à Jérusalem, conduit, au centre, à la vision de la Majesté de la Vierge marquant cette façade du signe de l’Incarnation. Enfin la Passion, enflammée de teintes chaudes et denses, achève ce discours par le témoignage de la Résurrection des pèlerins d’Emmaüs.
Une deuxième campagne, la plus importante, débute après l’incendie de 1194. Les travaux se déroulent pendant le premier tiers du XIIIème siècle. On commence par les verrières basses de la nef, peu avant 1200, puis les fenêtres du déambulatoire et des chapelles rayonnantes, qui ont sans doute été vitrées au cours des dix premières années du XIIIème siècle. On a ensuite posé les fenêtres hautes du chœur, puis, avant 1220, le reste des vitraux du déambulatoire. Le chantier se poursuit avec les verrières hautes du transept, en commençant par celles du bras méridional, qui datent probablement des années 1226 – 1230, pendant le temps de la régence de Blanche de Castille, puis celles de la façade nord, qu’on peut situer vers les années 1230-1235.
Dès le milieu du XIIIème siècle, la cathédrale a paru trop sombre. On a alors décidé de remplacer certaines verrières historiées par des fenêtres blanches dans le déambulatoire. En 1328, un chanoine, Guillaume Thierry, offre une verrière en grisaille, qui intègre les nouvelles techniques de coloration par le jaune d’argent inaugurées en ce temps. Un nouveau chantier commence lorsque, vers 1350, on construit à l’est de la cathédrale, la chapelle Saint-Piat, ornée de fenêtres où on dispose de grandes figures de saints isolés sous des dais. Le Moyen Âge finissant marque encore la cathédrale d’une œuvre d’éclat en 1415 lorsqu’on construit, dans le bas-côté sud de la cathédrale, la chapelle Vendôme, témoin du style raffiné de l’architecture flamboyante. Par la suite, les vitraux n’ont cessé d’être entretenus, restaurés, complétés, et ce jusqu’à nos jours.