К 1030 г. архиепископ Роберт Датский восстановил хор в романском стиле и установил внизу крипту, для того чтобы увеличить базилику Нотр-Дам. Строительство собора в Руане (как и аббатства Берне) во главе с архиепископом Робертом заложило основы нормандской романской школы, ставшей прототипом религиозной архитектуры сначала в Нормандии, а затем и в Англии (работы прервались после смерти архиепископа в 1037 г.). Другой архиепископ, Морий (1055–1067 гг.), завершил строительство и реконструкцию нефа в 1063 г. (говорят, что он возвёл каменную башню в форме пирамиды, которая носила его имя). Храм был освящён 1 октября 1063 г. в присутствии герцога Вильгельма и епископов Одона Байе, Жана д'Иври, Вильгельма Флэтеля, Ив де Беллема и Жоффруа де Монбрэ. В этот период в собор были перенесены останки Роллона и Вильгельма Лонг-Епе. Крестообразный в плане романский собор тогда представлял собой неф, а проходы были той же длины и ширины, как и современные. Арман Рекье в 1887–1896 гг. проводил раскопки, собираясь установить калорифер. Он обнаружил под плиточным полом северной поперечины остатки здания, идентифицированного как принадлежащие собору Морийя. В результате исследований, осуществлённых Жоржем Ланфри в сентябре 1931 г., в южной поперечине был обнаружен западный пролёт южного притвора крипты. В 1935 г. он продолжил раскопки и освободил восточный план церкви. Было установлено: хор составлен из двух прямых пролётов и зала, галерея из пяти пролётов огибала хор и открывалась на трёх часовнях, а кольцевая крипта оказалась похожей на крипту собора Шартра. Исследователи пришли к выводу, что трансепт состоял из креста, вероятно, увенчанного куполом, и двух фигурных скобок, каждая из которых имела три неравных промежутка: пролёт в продолжение притвора хора, центральный пролёт (более тесный) и более глубокий существенный пролёт, который открывался на небольшую апсиду на востоке. Просторные размеры трансепта имели вид англо-нормандской церкви, начатой в конце XI в. В отличие от нынешнего здания, трансепт романского здания не имел притворов. Несмотря на строительство готического собора, впоследствии склеп, где помещались мощи Богородицы, сохранился до сих пор (его можно посетить). С введением Жаном д'Иври григорианской реформы, которая отделила каноников от прихожан, культ Сент-Этьена перенесли в южную часть трансепта собора. Его преемник (Вильгельм Бонн-Ам) уничтожил оставшуюся коллегиальную церковь Сент-Этьен. Во время раскопок, проводившихся в 1954 г., была обнаружена гробница Морийя, которая находилась в месте, известном под названием «большой алтарь предыдущей церкви», в последнем пролёте нефа, около пересечения трансепта. По итогам различных поисков была реализована модель склепа. Исследователи считают самой древней частью готического собора северную башню (башню Сен-Ромен), построенную в 1145 г. Пётр III Амьенский по приглашению своего друга Сугерия в 1144 г. принял участие в посвящении аббатства Сен-Дени, и уже в 1145 г. начались работы над «новой башней», т.е. башней с часами, расположенной в 6 м к северу от старого массивного романского фасада (другие работы проводились в самом соборе). В письме 1445 г. Пётр сообщил о работах внутренней части, однако не уточнил локализацию. Тем не менее, раскопки крипты позволяют исследователям считать, что речь шла об оформлении хора. Но речь могла идти также о работах в северной части часовни галереи, где находятся останки Петра III Амьенского. «Моду» на готическое искусство для собора Руана ввела законченная в 1164 г. римская башня.