- le XIIIème siècle.

En (1212), la charpente de style Romane de la cathédrale fut entièrement détruite par un incendie, où seuls les murs furent épargnés. Une lettre du pape Innocent III adressée à l'Evêque Amédée de Drameley ainsi qu'à l'ensemble du Clergé Bisontin en témoigne :

("Les constructions de bois de votre église ont été, lors d'un accident, brûlées par le feu, cependant les parois n'ont pas été endommagées, et la table de l'autel principal n'a subi à son extrémité qu'une petite fracture, vous avez demandé au St Siège d'être instruit par lui de ce qu'il fallait renouveler ou non la consécration de cet autel ou encore de toute l'église. Nous pensons devoir répondre ainsi, puisque les murailles sont demeurées dans leurs intégralité et que la table de l'autel ne fut ni énormément déplacée ni gravement abîmée, pour ce cas, il ne faut pas consacrer à nouveau ni l'église, ni l'autel").
Le sinistre allait être le point de départ d'une campagne de rénovation et dès (1212), Amédée de Drameley organise les travaux et tente de réunir les fonds nécessaires en organisant des quêtes :

("Amédée, par la grâce de Dieu, Archevêque de Besançon à tous les abbés, prieurs, doyens, sous-doyens, curés, chapelains et autres fidèles auxquels les présentes lettres parviendront, salut le Seigneur. L'état de votre église de Besançon qu'un déplorable incendie vient de détruire vous indique et vous manifeste suffisamment l'extrême nécessité dans laquelle nous nous trouvons pour vous écrire en sa faveur. La désolation dans laquelle elle se trouve doit être présente aux yeux de votre âme. Aussi, nous vous adressons des Députés Ecclésiastiques porteurs de nos lettres, vous demandant, vous priant et vous ordonnant de les recevoir dans vos demeures avec bonté et empressement. Vous exhorterez vos paroissiens à répandre leurs bienfaits sur cette église, avec le plus grande diligence, et vous le ferez si bien que vous obtiendrez la reconnaissance de Dieu et de l'Église, en même temps que la nôtre").

Ces travaux faisant suite à l'incendie de (1212) étaient une occasion de se conformer aux modes nouvelles comme le prouvent les voûtes d'ogives. Mais ces modifications devaient également avoir pour but, en plus de l'aspect purement visuel, un aspect technique utile de façon à prévenir tout nouvel incendie. Quant aux murs Romans qui ont résisté aux ravages des flammes, ils furent conservés et doublés d'une véritable armure intérieure. Les travaux entrepris devaient irrémédiablement commencer par une reprise quasi complète des piles circulaires en sous oeuvre qui n'étaient pas suffisamment résistantes pour supporter le poids d'une voûte en pierre, avec seulement un peu plus d'1 mètre de diamètre. Il faut considérer cette modification des piles comme une véritable prouesse technique, l'architecte devant en effet maintenir grâce à des cintres de bois les arcades ainsi que les maçonneries qu'elles supportaient tout en reconstruisant la totalité des supports, non sans en modifier la forme. Même si l'architecte conserva le principe d'un fût cylindrique, il adjoignit du côté du vaisseau central et collatéraux une assemblée de de 3 colonnettes devant recevoir les retombées des voûtes d'ogives. Avec ce stratagème architectural on pouvait donner l'effet de files de colonnes alors que les supports concordaient dans leur nouvelle fonction structurelle. L'architecte Gothique, certainement dans un souci de respect de l'oeuvre de son prédécesseur, a remplacé les chapiteaux Romans situés au dessus des piles qu'il venait de reconstruire, mais en les entaillant sur 2 de leurs faces permettant ainsi d'encastrer les chapiteaux surmontant les groupes de colonnettes. Les bases, qui présentaient un profil uniforme caractéristique du (XIIème siècle), n'eurent pas droit aux mêmes scrupules. Les piliers cruciformes situés en sous oeuvres furent quant à eux laissés tels quels, car ils étaient suffisamment puissants pour supporter la nouvelle voûte. On incrusta simplement sur 2 de leurs faces 3 colonnettes devant recevoir les ogives du vaisseau central ainsi que des bas côtés.

L'existence d'une corniche moulurée sur le haut des grandes arcades allait poser problèmes, en effet, cette barre horizontale continue s'opposait aux lignes verticales découpant les travées qui étaient un signe indispensable de l'architecture gothique au XIIIème siècle). Ce problème fut réglé par une illusion astucieuse, grâce à l'installation de faisceaux de colonnettes recevant les ogives faisant croire qu'elles traversaient la corniche. Un bandeau mouluré sur lequel sont établies de minces et hautes colonnettes d'un triplet fut ajouté au devant du mur Roman et devant soutenir la tête des voûtains, donnant ainsi l'impression d'un élargissement de la corniche.

- du XVIème au XVIIIème siècle.

D’importants remaniements, reconstructions et restaurations sont entrepris au (XVIIIème siècle), les parties Occidentales ayant été détruites lors d'un glissement de terrain. L'Archevêché fut quant à lui construit en (1704) la où est situé actuellement le Rectorat de Besançon par Joseph de Grammont, et on peut encore apercevoir quelques arcatures datant du (XIIIème siècle) noyées dans les murs. En (1724) le contre choeur sera fortement endommagé parl'effondrement du clocher. L'architecte Germain Boffrand reconstruit et décore le nouveau contre-chœur de l'édifice, convenant à l'ostension d'un St suaire conservé dans cette partie de la cathédrale. Le nouveau clocher fut quant à lui reconstruit un peu plus tard et achevé en (1734) de l'autre côté de la nef, à son emplacement actuel. En (1765), l'architecte Riepp reconstruit un escalier intérieur permettant l'accès à un 1er Orgue placé en nid d'hirondelle.

L'Architecte Chalgrin construit en (1771) la grande Sacristie, contenant des boiseries remarquables ajoutées par la suite et dessinées par le Franc Comtois Claude Joseph Alexandre Bertrand, en (1778). En (1790), l'édifice est fermé au culte avant d'être rouvert le 1er Mai (1790) par le curé Constitutionnel. Cependant, la dévotion populaire liée à l'ostension du St Suaire fut telle qu'elle se poursuivit pendant la fermeture de la Cathédrale jusqu'en Juin (1791. Le Jubé de la Cathédrale St Jean, élevé en (1560) par Lullier, fut totalement détruit en (1792). Le choeur est réduit d'1 travée, rehaussé et des chapiteaux furent retaillés. Les anciens Fonts Baptismaux qui étaient situés dans la chapelle St Denis, actuellement chapelle de la Semaine, furent eux aussi démolis et une partie de la tuyauterie de l'Orgue de Riepp fut vendue. Le bâtiment fut finalement rendu au culte seulement en (1798).

- au XIXe siècle.

En (1809) la galerie du cloître datant du (XIIIème siècle), conduisant à l'Archevêché de l'époque est coupé afin de créer un passage vers la cour Occidentale du bâtiment. En (1823) un nouvel Orgue est construit par Jospeh Callinet. L'escalier qui fut construit provisoirement pour avoir accès à cet orgue fut détruit en (1830), car il gênait considérablement le passage. Mais cette démolition condamne la disposition en nid d'oiseau de l'orgue, obligeant ce dernier à être établi dans un appendice construit au dessus du passage conduisant à l'ancien Archevêché. En (1829) le cardinal de Rohan Chabot aménage le sanctuaire et pose un nouveau dallage en 1830. En 1854 une couverture indépendante de la nef est établie sur les bas côtés afin de redonner de la lumière naturelle par les fenêtres hautes. En (1857), on creuse une Crypte sous la chapelle du Sacré Coeur où reposeront les sépultures des Comtes de Bourgogne.

En (1869), la mosaïque du choeur est construite et on y pose les vitraux l'année suivante. Entre (1873) et (1875), le Triforium est remanié ainsi que les verrières des fenêtres hautes et certains vitraux à figures. En (1875), la Cathédrale est classée au Monument Historique. Entre (1935) et (1951) les vitraux de la 1ère, 2ème et 4ème chapelle du bas côté gauche ainsi que ceux de l'abside occidentale et des tribunes furent refaits grâce à l'initiative de l'Archevêque Maurice Louis Dubourg.

- le Choeur Liturgique.

Placer à l'Ouest, l'Abside est composée d'une élévation à 2 niveaux, correspondant à 2 phases de construction de l'édifice. Le 1er est constitué de 7 fenêtres Romane du (XIIème siècle). le 2ème niveau est composé de 7 baies Gothiques du (XIIème siècle).

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