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La cathédrale Saint-Louis de Blois est une cathédrale catholique romaine et est de style gothique tardif.
La construction débuta au XIIe siècle. Mais à part quelques vestiges dans sa crypte et la base du clocher, rien ne subsiste de cette église.
La façade et la tour du clocher furent construites à partir de 1544.
La nef fut détruite par un ouragan en 1678 et la reconstruction en style gothique eut lieu entre 1680 et 1700 sous la direction de l'architecte Arnoult-Séraphin Poictevin et sous l'impulsion de Colbert dont l'épouse était blésoise.  
Pour célébrer la promotion de l'église au rang de cathédrale en 1697, Louis XIV offrit le buffet d'orgue en 1704. 

Depuis sa construction, l'édifice actuel a subi très peu de  transformations.
La chapelle Notre-Dame fut ajoutée en 1860, sous la  direction de Jules de la Morandière. 
Les bombardements américains lors de la seconde guerre mondiale avaient détruit la plupart des vitraux de la cathédrale.
Le 22 décembre 2000, on a inauguré les nouveaux vitraux créés par l'artiste hollandais Jan Dibbets et le maître-verrier français Jean Mauret et ce dans le cadre d'une restauration générale de l'édifice entreprise en 1985.
Les nouveaux vitraux couvrent trente-trois baies, hautes et  basses, et représentent une surface totale de plus de 360 m2.
L'extérieur, daté du milieu du XVIe siècle, témoigne d'un compromis entre le style gothique tardif traditionnel et les débuts du classicisme. On y trouve des éléments médiévaux tels les  gargouilles, les contreforts coiffés de pinacles ainsi que le pignon aigu qui surmonte le tout.
Mais aussi des éléments classiques tels le fronton triangulaire et les médaillons en ronde-brosse dans les écoinçons.
La partie la plus remarquable est la tour-clocher située au nord de la façade et qui domine toute la ville. Si son soubassement date du XIIe siècle, la construction débuta en 1544. De style Renaissance, elle est pourvue de colonnes ioniques et corinthiennes. Le dernier étage est coiffé d'un dôme surmonté d'un lanternon édifié en 1603.
La tour comporte sept cloches.
A l'intérieur, la cathédrale est composée d'une large nef à collatéraux nord et sud (1680-1700) sur lesquels s'ouvrent des chapelles latérales, ainsi que d'un chœur avec son déambulatoire.
Le chœur possède une abside à cinq pans des XVIe et XVIIe siècles.
Encadrant le chœur, le déambulatoire et ses chapelles rayonnantes datent du XIXe siècle. Dans les fenêtres hautes se trouvent des vitraux. 
Le déambulatoire ajouté dans les années 1860 avec ses piliers torsadés est un pastiche du style Louis XII, exemple de l'imitation des styles du passé sous le Second Empire.
La cathédrale est classée monument historique depuis le 9 août 1906.