Już od XVI w. Katedrę Marii Panny za sprawą polskich królów łączy wiele z polską historią. W latach czterdziestych XIX w. gromadzili się w niej emigranci Powstania Listopadowego. W latach osiemdziesiątych XX w. odbywały się tam msze za „Solidarność”. W 2014 w pobliżu odsłonięto pomnik św. Jana Pawła II. W 2018 r. w Notre-Dame umieszczono kopię jasnogórskiego wizerunku Matki Boskiej.
W XVI wieku po raz pierwszy Notre-Dame znalazła się na kartach polskiej historii. 10 września 1573 r. w katedrze wybrany kilka miesięcy wcześniej na pierwszego elekcyjnego władcę Rzeczypospolitej książę Henryk Walezy w obecności poselstwa polskiego złożył przysięgę na dotrzymanie zobowiązań zapisanych w artykułach henrykowskich i paktach konwentach oraz innych dokumentach dotyczących wolności szlacheckich.
W 1669 r. po abdykacji król Jan II Kazimierz wywiózł część polskich insygniów koronacyjnych. Wśród nich był relikwiarz Drzewa Krzyża Świętego, który znajdował się w skarbcu polskich władców od czasów Władysława Jagiełły. Relikwiarz był używany podczas kolejnych koronacji polskich władców. Po śmierci Jana Kazimierza znalazł się w skarbcu Notre-Dame. W przeciwieństwie do wielu innych relikwii przetrwał zniszczenie w okresie rewolucji francuskiej.
27 września 1841 r. wielu polskich emigrantów zebrało się w katedrze na mszę jednoczącą tę podzieloną społeczność. Po jej zakończeniu głos zabrał nieznany szerzej, niedawno przybyły do Paryża ziemianin z Wileńszczyzny Andrzej Towiański. „Bracia! Przybyłem między was, abym was powitał, abym zawarł z wami przymierze i zwiastował wam koniec waszych cierpień” – stwierdził. Wystąpienie Towiańskiego w Notre-Dame jest uznawane za początek kształtowania się mesjanistycznego Koła Sprawy Bożej. Mistyk i jego zwolennicy, wśród których ważną rolę odgrywali Adam Mickiewicz i Juliusz Słowacki, zapowiadali nadejście „królestwa bożego”. W procesie moralnej rewolucji przybliżającej ten moment kluczową rolę mieli odegrać Polacy.
Wystąpienie Towiańskiego w Notre-Dame stanowi jeden z bardziej momentów dziejów Wielkiej Emigracji. Codzienna egzystencja polskich artystów i poetów „na paryskim bruku” to przede wszystkim zmaganie się z niedostatkiem i samotnością. Wielu z nich podkreślało również swoją pogardę dla „zepsutego miasta”. „Nowa Sodomo! Pośród twych kamieni/ Mnoży się zbrodnia bezwstydna widomie” – pisał Słowacki w wierszu „Paryż”. Poetę zachwyciła jednak paryska katedra:
Patrz znów w mgłę miejską — oto wież ostatki,
Gotyckim kunsztem ukształcona ściana;
Rzekłbyś — że zmarła matka twojej matki,
W czarne, brabanckie korónki ubrana,
Z chmur się wychyla jak duch Ossyjana…
Ludzi nie dojrzysz… Lecz nad mgłami fali
Stoją posągi (gdzie płynie Sekwana),
Jakby się w Styksu łodzi zatrzymali
Przed piekła bramami we mgłach stoją biali…
Zafascynowany gotykiem francuskich katedr był także Stanisław Wyspiański. Co ciekawe jednak, znacznie bardziej podoba mu się katedra w Amiens, którą cenił za przetrwanie do jego czasów w niezmienionej średniowiecznej formie. „Całość, to nie koronki i dekoracyjność kobieca o wdzięcznych, wiotkich kształtach ujmujących (Rouen), ale potężna siła męska, zdrowa, nagła, żyjąca, surowa powagą, górująca namiętnością, porywająca. Notre-Dame (w Paryżu) mogłaby robić podobne wrażenie, gdyby nie była zeszpecona Violet-le-Duc’em [architekt i konserwator francuski; restaurował średniowieczne budowle – przyp. red.]” – podkreślał w liście do Lucjana Rydla w 1890 r. W tym czasie Notre-Dame szkicowało wielu innych polskich malarzy, m.in. Józef Mehoffer i Józef Pankiewicz.
30 maja 1980 r. pierwszą mszę w katedrze odprawił papież Jan Paweł II. W swojej homilii krytykował odejście Francji od chrześcijaństwa i cywilizcję konsumpcyjną. Do Notre-Dame powrócił w 1997 r. przy okazji Światowych Dni Młodzieży. W 2014 r. w pobliżu katedry na skwerze papieża św. Jana XXIII odsłonięty został pomnik św. Jana Pawła II.
Katedra także w ostatnich latach była świadkiem wydarzeń, które nie miały precedensu w historii Kościoła. 5 sierpnia 2007 r. zmarł wieloletni arcybiskup Paryża kard. Jean-Marie Lustiger. Urodzony jako Aron Lustiger pochodził z rodziny polskich Żydów z okolic Będzina (wówczas w Królestwie Polskim), która na początku XX wieku wyemigrowała do Francji. W 1940 r., po wieloletniej fascynacji katolicyzmem, przyjął chrzest. Jego matka zginęła w 1943 r. w Auschwitz. W 2005 r. Lustiger wziął udział w obchodach 60. rocznicy wyzwolenia niemieckiego obozu zagłady. Przez całą posługę kardynalską zabiegał o rozwój dialogu między judaizmem a Kościołem.
Kard. Jean Marie Lustiger był znany ze swojego wsparcia dla „Solidarności” i Polaków, którzy po wprowadzeniu stanu wojennego znaleźli się w stolicy Francji. W Notre-Dame odbywały się msze za Polskę i „Solidarność”, część z nich była celebrowana przez kard. Lustigera. Wielu Polaków, którzy w latach osiemdziesiątych znaleźli się w Paryżu, wspomina mszę odprawioną po pojawieniu się nieprawdziwej informacji o śmierci internowanego przez władze reżim Tadeusza Mazowieckiego.
W 2018 r. w Notre-Dame umieszczono kopię jasnogórskiego wizerunku Matki Boskiej. Uroczyste wprowadzenie obrazu odbyło się 5 maja 2018 r. W ciągu kolejnych miesięcy prowadzono przygotowania do konsekracji polskiej kaplicy. 1 grudnia 2018 r. odbyło się jej uroczyste otwarcie. Kaplica pod wezwaniem Najświętszej Matki Boskiej Częstochowskiej i świętego Germana stała się pierwszą narodową kaplicą w paryskiej katedrze. Koncelebrujący mszę świętą abp Stanisław Gądecki przypomniał historyczne związki Paryża i Polski:
To tutaj przecież pracowała Wielka Emigracja. Tutaj rozkwitło polskie piśmiennictwo, publicystyka polityczna i wielka poezja romantyczna. Tutaj tworzyli w duchu umiłowania ojczyzny Adam Mickiewicz, Juliusz Słowacki, Zygmunt Krasiński, Cyprian Norwid. Tutaj rozbrzmiewała budząca ducha narodowego muzyka Fryderyka Chopina. Stąd przybyła do Polski w 1919 r. Błękitna Armia gen. Józefa Hallera.