Als Papst Leo III. im Jahre 799 an den Quellen der Pader mit dem Frankenkönig Karl zusammentraf, stand an der Stelle des Domes bereits eine "Kirche von eindrucksvoller Großartigkeit", die wenig später einem Stadtbrand zum Opfer fiel.

806 trat der erste Bischof von Paderborn, der in Würzburg als Geisel zum Priester ausgebildete Sachse Hathumar, die Regierung des neuen Bistums an, das im Westen bis zur Heder in Salzkotten, im Norden bis Bielefeld und Herford, im Osten über die Weser und im Süden bis nach Waldeck hinein reichte und dem Erzbistum Mainz unterstellt war.

Der zweite Bischof, Badurad, ein Berater Kaiser Ludwigs des Frommen, erhielt 822 für die Paderborner Kirche, die Maria und Kilian geweiht war, die Immunität, d.h. den Ausschluss der weltlichen Verwaltung, der Grafen aus ihren Besitzungen und den Königsschutz. Er vollendete den Bau des Domes und schuf das Domkloster in dem die Domgeistlichen lebten und sich eine Domschule für adlige und nichtadlige künftige Priester befand.
Da die Sachsen schwer zu bekehren waren, erbat Badurad vom Bischof Aldrich von Le Mans die Gebeine eines Heiligen, in der Hoffnung, dass deren Wunderwirkung mehr überzeugen werde als noch so gelehrte Predigten. 836 erhielt eine Paderborner Gesandschaft unter Führung des Erzdiakons Meinolf in Le Mans die Gebeine des heiligen Liborius, der im 4. Jahrhundert dort Bischof und ein Freund des heiligen Martin von Tours gewesen war. Die Kirchen von Le Mans und Paderborn schlossen eine Gebetsverbrüderung, die bis auf den heutigen Tag besteht.
Die feierliche Überführung der Gebeine des heiligen Liborius nach Paderborn ist in mehreren Berichten des 9. Jahrhunderts geschildert. Nach der Sage soll ein Pfau den Reliquien vorangeflogen und schließlich tot über dem Dom abgestürzt sein, der ein weit ausladenes Westquerhaus mit westlicher Apsis erhalten hatte, unter dem eine Ringkrypta angelegt war. Der Pfau wurde Symbol des Heiligen, den man später, seit dem 13. Jahrhundert, auch als Nothelfer bei Nieren- und Gallensteinen bemühte und deshalb oft mit drei Steinen auf einem Buch darstellt. Im Bewußtsein des Volkes verdrängte er die Hauptpatrone des Domes, Maria und Kilian. Sein Fest Ende des Monats Juli ist bis heute Höhepunkt städtischen Lebens.

Paderborn blieb Versammlungsort der fränkisch-deutschen Herrscher des 9. Jahrhunderts. Die zunehmende Verehrung der Liborius-Reliquien führte im Laufe des späteren 9. oder des 10. Jahrhunderts zu einer Vergrößerung des Westteils des Domes. Unter Bischof Retar wurde dann Ende des 10. Jahrhunderts der Westchor niedergelegt. Westlich des beibehaltenen Querhauses entstand ein doppelgeschossiger westwerkähnlicher Bau mit dreischiffiger Pfeilerhalle, flankiert von zwei Seitenschiffen und eingefasst von vorspringenden Türmen. Zur selben Zeit wurde im Osten eine Hallenkrypta errichtet. Ein Brand des Jahres 1000 vernichtete viele historische Quellen, so dass wir über die Geschichte Paderborns im 10. Jahrhundert kaum etwas wissen.
Um so reicher sind die Überlieferungen zur ersten Hälfte des 11. Jahrhunderts. Als sich Bischof Rethar nach diesem Brand von Kaiser Otto III. in Rom die Privilegien der Paderborner Kirche erneuern ließ, gehörten dazu bereits Grafenrechte. So wurde schon sehr früh aus dem geistlichen Oberhirten ein vom Herrscher mit weltlichen Aufgaben beauftragter Reichsbischof. Dieser Charakter des Bischofsamtes trat im Laufe der Zeit immer mehr hervor; erst die Säkularisation 1802 beschränkte den Bischof wieder auf seine geistlichen Aufgaben. 

Der Dom wurde in der Folgezeit wiederholt von Feuer zerstört und wieder aufgebaut.
Mit der Errichtung des mächtigen Westturms (Ende des 12. Jahrhunderts), der bis heute charakteristisch für den Dom ist, wurde der Domneubau des 13. Jahrhunderts eingeleitet.
Um 1220 begann man, den romanischen Dom in zeitgenössischen Formen zu erneuern. Das Turmjoch und das anschließende sogenannte basilikale Joch des Domes mit seinen seitenschiffartigen Nebenräumen bildeten den Westchor, ein westliches Querhaus als Eingangs- und Vorraum.
Die Bischöfe Bernard IV (1228-1247) und Simon (1247-1277) aus dem Hause der Edelherren zu Lippe gestalteten den Dom um 1240-1260 nach westfranzösischem Vorbild zu einer Hallenkirche um, deren drei Schiffe etwa die gleiche Höhe haben. An den Langhausmaßwerken und am Paradiesportal wurde nordfranzösischer Einfluss wirksam. Die großen Gewändefiguren, die ihr Gegenstück im Paradies des Domes zu Münster besitzen, formten das französische gotische Vorbild im Sinne der Romanik um. Neben die Apostel trat der Heilige Julian, der erste Bischof von Le Mans, zu dessen Kirche die Beziehungen im 13. Jahrhundert erneuert worden waren. Geschwister Bernhards IV. erbauten ebenfalls Hallenkirchen, zum Beispiel als Erzbischof von Bremen, als Äbtissin von Herford. Auch die Busdorfkirche erhielt eine Halle.

Im Dreißigjährigen Krieg (1618-1648) wurde der Dom geplündert und verwüstet. Ab 1650 begann die Wiederherstellung. Dabei wurden die Seitenkapellen im Langhaus erneuert, mit den prächtigen Innenportalen versehen und mit perspektivisch gearbeiteten Gittern zum Hauptraum hin abgeschlossen. Damals erhielt der Dom auch eine barocke Ausstattung, die durch Bombenangriffe gegen Ende des Zweiten Weltkrieges (1939-1945) zum größten Teil zerstört wurde.

Seit 1895 führte Dombaumeister Arnold Güldenpfennig eine umfassende Restaurierung durch, in deren Verlauf er die Südgiebel und den großen Ostgiebel in historisierenden Formen frei gestaltete.

Nach den Zerstörungen von 1945 begann schon sehr bald die Wiederherstellung des Domes unter der umsichtigen Leitung von Domprobst Paul Simon und seinem Nachfolger, Domprobst Joseph Brockmann. Dabei wurde das Turmjoch zum Hauptraum hin geöffnet. Der gotische Reliquienaltar fand seinen Platz wieder im Hochchor.

1978 begannen umfassende Restaurierungs- und Sicherheitsmaßnahmen, die mehrere Jahre dauerten. Im Verlauf dieser Arbeiten erhielten die Krypta und der Altarbereich ihre heutige Gestalt. Schon 1975 war die Bischofsgruft mit dem Sammelgrab der Paderborner Bischöfe sowie den Grablegen für den ersten Paderborner Erzbischof Kaspar Klein (1920-1941), und den ersten Kardinal auf dem Paderborner Bischofsstuhl, Erzbischof Lorenz Jaeger (1941-1973), neu gestaltet worden. Die seit dem Krieg eingelassene Notverglasung wurde durch neue Fenster ersetzt, die sich gut in den festlichen Raum einfügen. Die Fenster des Langhauses zeigen Motive vom Weg des Gottesvolkes durch die Zeit bis zum himmlischen Jerusalem; in den Fenstern im nördlichen Arm des östlichen Querhauses, dem sog. Hasenkamp, treten dem Betrachter Heilige entgegen, die eng mit der Kirche von Paderborn verbunden sind. Zu dieser "Wolke der Zeugen" (Hebr 12,1) gehören auch die Statuen auf dem Chorgestühl. Mit ihnen allen wissen sich die Beter von heute im Gotteslob verbunden.

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