İlk etapta, ibadethanenin hasar alan bölümlerinin yıkılmasını engellemek için önlemler alındı. Akabinde katedralde bulunan eşyaların envanteri çıkarıldı ve yangında hasar gören kule iskelesi söküldü. Kulenin 300 ton ağırlığındaki eski iskelesini bile toplamak 1 yılı aşkın zaman aldı. Ayrıca, Mart 2020-Haziran 2021 tarihlerinde yapılan araştırmalar sonucu, katedralin aslına uygun şekilde restore edilmesi, elektrik teçhizatının tamamının yenilenmesi ve yapıtı yangınlardan korumak adına en yenilikçi teknolojilere başvurulması kararlaştırıldı.
250 farklı firma bünyesindeki 2 binden fazla işçinin çalıştığı devasa restorasyonda, ülkenin dört bir yanından getirilen, 2 binden fazla meşe ağacı kullanıldı. Hasar gören veya yıkılan duvar ve tonozları yeniden inşa etmek için 1000 metreküp taş kullanılırken 2 bin heykel ve dekoratif eser restore edildi veya yenisi yapıldı. Yangından etkilenen çok sayıda tablo katedralin dışında restore edilirken zarar gören kule yeniden inşa edildi. Bu arada kulenin yeniden inşası için 100 metrekarelik alanda 2022'de yapılan kazılar sırasında 14'üncü yüzyıldan kalma iyi korunmuş kurşun bir lahit bulundu.
Öte yandan, katedralin aslına uygun olarak onarılmasına karar verildiği için bu da restorasyon sürecinde kurşun kullanılmasına neden oldu. Çevre örgütleri, kurşunun insan sağlığına olumsuz etkisi nedeniyle bu restorasyon şekline tepki göstermişti. Restorasyon çalışmaları için dünyanın dört bir yanından 846 milyon euro kadar rekor miktarda bağış toplandı. Katedralin çevresindeki yeşil alan, 2025'in sonunda başlayacak çalışmalarla 160 ek ağacın yerleştirilmesiyle daha da genişletilecek.
Cumhurbaşkanı Emmanuel Macron, eşi Brigitte Macron'un da yer aldığı heyetle, 29 Kasım'da ziyaretçilere kapılarını açmaya hazırlanan katedralin şantiyesini ziyaret etti. Buradaki çalışmalar hakkında bilgi alan Macron, restorasyonda çalışan zanaatkarlara, başarılı çalışmalarından dolayı teşekkür etti. Zanaatkarlara dönerek "Külleri sanata çevirdiniz" diyen Fransa Cumhurbaşkanı, "2000 kadın ve erkek gece ve gündüzünü bu şantiyede geçirdi. İmkansızı başardınız" ifadelerini kullandı.