La cathédrale Notre-Dame-de-Grâce de Cambrai est à la fois basilique et ancienne église métropolitaine (ancien siège de l'archevêché de Cambrai regroupant les diocèses suffragants d'Arras et de Lille).
L'ancienne cathédrale de Cambrai ayant été détruite pendant la Révolution française, le siège épiscopal fut transféré en 1804 dans l'église de l'abbaye du Saint-Sépulcre, qui date de la fin du XVIIe siècle.
Elle fait l'objet d'un classement au titre des monuments historiques depuis le 9 août 1906. À la suite de travaux importants entre 2000 et 2007 concernant la restauration des toitures, l'intérieur et les vitraux sont restaurés depuis 2022 et pour une durée prévue de 7 ans.
Fondation de l'abbaye du Saint-Sépulcre
En 1054, Liébert de Cambrai, évêque d'Arras et de Cambrai, partit en pèlerinage à Jérusalem, mais il ne put dépasser Chypre et dut rentrer à Cambrai sans avoir vu les lieux saints. En compensation il voulut recréer dans sa ville épiscopale, aussi fidèlement que possible, les lieux du pèlerinage de Jérusalem. Cambrai s'y prêtait bien, puisqu'on y trouvait une colline (le Mont-des-Bœufs) plantée du verger de l'abbaye de Saint-Géry et séparée de la ville par le riot Saint-Géry, topographie qui pouvait rappeler la colline de Gethsémani et le torrent du Cédron. Il s'y trouvait déjà une chapelle du Saint-Sépulcre construite en 1047 par l'évêque Gérard de Cambrai sur l'emplacement d'un ancien charnier où on avait enterré les morts d'une épouvantable famine de 1031.
Liébert fit construire à quelque distance un monastère de bénédictins, avec une église sur le plan de celle du Saint-Sépulcre de Jérusalem, composée d'une nef rectangulaire réservée aux moines à laquelle était accolée un édifice circulaire destiné aux pèlerins. Le monastère fut consacré le 28 octobre 1064. L'abbaye était alors hors les murs, et Liébert la fit mettre à l'abri en agrandissant l'enceinte de la ville.
Le seul vestige de cette église est le pilier en grès de l'église actuelle auquel est accrochée la chaire, et qui devait être l'un des piliers de soutènement du clocher.
La basilique de Neuvy-Saint-Sépulchre, construite à l'image du Saint-Sépulcre de Jérusalem à la même époque, donne une idée de ce que devait être l'édifice de Cambrai.
Cette première église fut remaniée ou reconstruite à de nombreuses reprises : elle fut d'abord réparée après un incendie en 1145. Au XIIIe siècle l'abbé décida de remplacer l'église de Liébert par une construction de plan cruciforme classique. En 1498 un autre abbé, Guillaume Courtois, la fit rebâtir et agrandir. L'abbaye et la chapelle furent incendiés à nouveau en 1553 par les troupes du roi de France Henri II. Les travaux de reconstruction, qui comprenaient un clocher séparé de l'édifice, ne furent achevés qu'en 1602, date à laquelle l'église fut à nouveau consacrée par l'archevêque Guillaume de Berghes. L'église fut une nouvelle fois rebâtie telle que nous la connaissons aujourd'hui ou presque, à la fin du XVIIe siècle.
C'est en 1695, l'année même où Fénelon devint archevêque de Cambrai, que l'abbé du Saint-Sépulcre Louis de Marbaix décida de reconstruire le chœur. Le projet s'étendit bientôt à la nef et on ne conserva finalement que le clocher, qui avait été édifié en 1542. Les travaux, rapidement menés sous la direction de l'architecte douaisien Anselme Estienne, s'achevèrent en 1703.
Cambrai ayant été annexé à la France par les traités de Nimègue de 1678, l'influence française se faisait désormais sentir dans l'architecture civile et religieuse. La nouvelle église était représentative du style du règne de Louis XIV, compromis entre baroque et classicisme. Les travaux furent poursuivis par le successeur de Marbaix, l'abbé Joseph Dambrinne, qui fit reconstruire le quartier des hôtes, seul bâtiment de l'abbaye qui ait subsisté, aujourd'hui occupé par l'hôtel de La Poste, ainsi que le quartier abbatial, le réfectoire et la bibliothèque. Ces travaux considérables étaient rendus possibles par la richesse des abbayes, notamment en Cambrésis où l'église possédait 40 % du sol. Les reconstructions étaient ainsi un moyen d'échapper à l'impôt.
Contrairement à la plupart des édifices religieux de Cambrai, l'église du Saint-Sépulcre réussit à traverser intacte la période des troubles révolutionnaires.
Le 17 avril 1789, les députés des trois ordres du Cambrésis s'assemblent dans l'église abbatiale. Le 13 février 1790, l'Assemblée nationale constituante adopte le décret sur le clergé régulier : les religieux sont « libérés », les biens confisqués. En novembre l'église abbatiale est fermée. Le prince-archevêque Ferdinand-Mériadec de Rohan ayant refusé de prêter serment à la constitution civile du clergé, il est destitué et c'est un oratorien, Claude Primat, qui est élu pour le remplacer, tandis que le curé assermenté Pierre Renaud s'installe dans l'église, rouverte en 1791 comme église paroissiale.
Le clocher, lézardé, doit être démoli en 1792. En janvier 1794, l'abbaye est transformée en hôpital de galeux. À la même époque les grilles du chœur sont arrachées et servent à entourer l'arbre de la liberté planté sur la grand-place.
En mai 1794, le Comité de salut public envoie Joseph Le Bon pour « régénérer Cambrai, ville de prêtres, de fanatiques et d'aristocrates ». Après avoir servi de grange, l'église du Saint-Sépulcre est transformée en temple de la Raison : Le Bon y harangue le peuple depuis la chaire qu'il appelle son « tonneau de Diogène ». L'église est finalement vendue comme bien national au marchand Blanquart de Saint-Quentin. Toutefois l'administration municipale en interdit la destruction en 1800, sauvant ainsi l'édifice d'une probable disparition. Pendant ce temps la cathédrale, « merveille des Pays-Bas », vendue au même Blanquart, est démolie. En 1809, il n'en reste que la tour, qui s'effondre lors d'une tempête.
Destruction et restauration au XIXe siècle
Après la signature du concordat de 1801, l'évêque constitutionnel Louis Belmas rouvre l'église du Saint-Sépulcre, rebaptisée Saint-Géry. En 1804, il achète l'ancienne demeure de l'abbé pour y installer l'évêché, et érige l'église en cathédrale.
En 1823, il fut décidé d'ériger un monument funéraire à Fénelon dans la cathédrale. C'est David d'Angers qui fut chargé de sculpter le bloc de marbre offert par le roi de France Louis XVIII. Le monument fut inauguré le 7 janvier 1826 et les restes de Fénelon y furent déposés le 22.