La cathédrale a inspiré de nombreux artistes, le plus connu restant Claude Monet.
Richard Parkes Bonington la représente dans Vue de Rouen depuis la Seine dans un tableau datant de 1822. Joseph Mallord William Turner en a fait un petit tableau en gouache et aquarelle vers 1832. William Parrott peint son chevet depuis la rue des Bonnetiers en 1860.
Plus tard, Camille Pissaro, l'inclut en 1896 dans son tableau Les Toits du vieux Rouen, cathédrale Notre-Dame et en 1898 dans La Rue de l'Épicerie à Rouen.
Durant les années 1890, Claude Monet travaille à plusieurs séries de peintures représentant le même sujet. La série la plus connue est peut-être celle qui représente la façade de la cathédrale de Rouen. Monet en peint 28 versions distinctes, réalisées avec une lumière variable en fonction des différentes heures du jour et des conditions climatiques de l'instant. Trois lieux distincts vont servir de points d'observation et de création à l'artiste, ce qui donne trois perspectives différentes : les deux premières toiles vont être peintes de la maison à colombage, aujourd'hui plâtrée, à l'angle de la rue du Gros-Horloge, les treize suivantes sont réalisées à partir d'une fenêtre au premier étage de l'actuel office de tourisme qui était à l'époque un magasin de vêtements. Les treize dernières toiles sont peintes d'une maison sise rue Grand-Pont, disparue avec la Seconde Guerre mondiale. Il termine en fait un certain nombre de ces peintures, plus tard, dans son atelier de Giverny. En comparant ces toiles avec l'original de l'édifice contemporain, on note les changements survenus au cours du XXe siècle. Tout d'abord, à l'époque de Claude Monet, le sommet de la façade n'était couronné que de deux pyramides, aujourd'hui il y en a quatre, car les deux au centre ont été rajoutées au début du siècle précédent. Ensuite, le gâble du porche central au lieu d'être traversé par un échafaudage de protection, était décoré d'un cadran d'horloge. Pour terminer, l'espace entre les bas-côtés et les tours était occupé par des piliers flamboyants comme ceux du porche principal.
De 2004 à 2008, un spectacle monumental, intitulé La Cathédrale de Rouen, de Monet aux pixels, a été réalisé par Skertzò en créant des éclairages sur la façade de la cathédrale rappelant les couleurs des tableaux de Monet.
Anecdote : ces vues de la cathédrale ont notamment été utilisées pour servir de couverture à l'édition Folio d'A la recherche du temps perdu, de Marcel Proust.
En 2009, un nouveau spectacle intitulé Les Nuits impressionnistes est projeté sur la façade de la cathédrale ainsi que sur la façade du musée des Beaux-Arts.
En 1969, le peintre américain Roy Lichtenstein réalisa un triptyque sur la cathédrale : Rouen Cathedral Set V [1]. Cette toile réalisée à la peinture à l'huile et à la peinture acrylique est divisée en trois parties égales. Chaque partie représente la façade vue de biais avec des couleurs vives (différentes pour chacun des trois éléments du triptyque) et de gros points, semblables à une trame, particulièrement caractéristiques du travail de l'artiste.