Dévastée au moment de la Révolution, l'ancienne église métropolitaine Notre-Dame des Doms était devenue hors d'usage lorsqu'à la suite du Concordat de 1801 le diocèse d'Avignon fut réorganisé. Pour ces raisons, l'église Saint-Agricol fut érigée en cathédrale par le nouvel évêque, Mgr Périer. Mais, à la Restauration, son successeur, Mgr Étienne Maurel de Mons, nommé à l'évêché d'Avignon, érigé à nouveau en archevêché, s'attela à la restauration de l'ancienne métropole. En mars 1822, l'édifice fut mis à la disposition de l'archevêque par ordonnance royale, et dès novembre 1822, un premier plan de restauration générale fut approuvé. La mise à disposition des terrains voisins de l'église fut décidée par le préfet. et en 1824 furent lancées les premières adjudications de travaux, sous la direction de l'architecte départemental Renaux. L'inspecteur général des bâtiments civils Auguste Caristie, restaurateur des monuments antiques d'Orange, fut appelé en 1826. Notre-Dame des Doms est rendue au culte avant 1830, date à laquelle l'archevêque y fut inhumé.

Un de ses successeurs, Mgr du Pont , transféré à Avignon en 1835, fut l'artisan d'importants travaux d'embellissement menés à son initiative, dont les décors d'Eugène Devéria dans la nouvelle chapelle du Saint-Sacrement (1838-1841).

Par ordonnance royale du 3 mars 1836, le titre de la cathédrale fut définitivement transféré de Saint-Agricol à Notre-Dame des Doms. La cathédrale fut érigée en archibasilique par bref du pape du 22 décembre 1854.

Propriété de l'État comme toutes les autres cathédrales, la métropole Notre-Dame des Doms a vu tous ses travaux de restauration confiés au cours des XIXe et XXe siècles aux architectes diocésains et aux architectes des monuments historiques.