Après plusieurs interventions menées au début du XIXe siècle, notamment par l'architecte Étienne-Hippolyte Godde, un concours fut organisé en 1843 pour entreprendre une restauration d'envergure de Notre-Dame. Jean-Baptiste Lassus et Eugène Viollet-le-Duc remportèrent le concours et furent chargés des travaux en 1844.
Après la mort de Lassus en 1857, Viollet-le-Duc poursuivit seul la restauration. La campagne principale s'étendit sur une vingtaine d'années, jusqu'en 1864.
Cette restauration fut déterminante pour la conservation de Notre-Dame. Elle reflétait aussi la conception particulière que Viollet-le-Duc avait de la restauration des monuments médiévaux. L'architecte ne cherchait pas toujours à conserver strictement l'état existant : certaines de ses interventions visaient également à restituer ce qu'il considérait comme la cohérence architecturale idéale de l'édifice.
Ses choix, parmi lesquels la reconstruction de la flèche et la restitution de nombreux éléments sculptés, ont ainsi alimenté les débats sur la restauration du patrimoine.
Contrairement à une idée reçue, Viollet-le-Duc n'a pas été le premier à doter Notre-Dame d'une flèche. Une flèche médiévale, édifiée au XIIIe siècle au niveau de la croisée du transept, avait été démontée à la fin du XVIIIe siècle en raison de son mauvais état.
Au XIXe siècle, Viollet-le-Duc conçut une nouvelle flèche, plus ambitieuse que celle qui l'avait précédée. Élevée à partir de 1859, elle devint l'un des éléments les plus reconnaissables de la silhouette de Notre-Dame, jusqu'à sa destruction lors de l'incendie du 15 avril 2019. Elle a depuis été reconstruite à l'identique dans le cadre de la restauration consécutive à l'incendie.
La campagne, d'abord confiée à l'architecte Godde, passa entre ses mains à partir de 1844 et dura vingt ans.
Certains reprochèrent à Viollet-le-Duc d'avoir pris des libertés avec les sources historiques, au point de présenter la cathédrale comme un monument d'inspiration médiévale.
Son ajout fut une décision propre à Viollet-le-Duc, qui s'inspira de celle d'Orléans sans certitude qu'elle ressemblait à la flèche d'origine.