La qualité du site (proximité de l’Escaut, petits plateaux étagés) et la présence de voies romaines importantes (accès à Cologne et à Boulogne) font de Cambrai le chef-lieu des Nerviens au IVe siècle, en remplacement de Bavay, trop exposée et abîmée par les raids francs. Cependant Cameracum n’est qu’un castrum de faible superficie (actuel quartier de la Sous-Préfecture).
Les deux principaux édifices religieux, la cathédrale et l’abbaye Saint-Géry au Mont-des-Bœufs, ont été détruits l’un à la Révolution, l’autre au XVIe siècle. Les vestiges lapidaires présentés au musée attestent de leur qualité artistique. Du Moyen Age, Cambrai a conservé un patrimoine fortifié original. Le château de Selles est édifié par les comtes-évêques de Cambrai et du Cambrésis au XIIIe siècle après la signature de la charte communale. Il présente un plan polygonal dont les angles sont flanqués de tours. Ce château fort est muni d’une gaine, corridor aménagé à l’intérieur de la muraille qui se développe sur deux niveaux. Grâce à ce couloir, la communication de tour à tour est facilitée et la défense des abords renforcée. Utilisé comme prison dès le XIVe siècle, le château présente une collection de plus de 1000 graffitis. La guerre de Cent Ans oblige à reconstruire les fortifications. Ce sont 4 000 m de courtines flanqués de 50 tours et fermés par 7 portes qui protègent Cambrai. Ce grand ouvrage fixe jusqu’au XIXe siècle les limites de la ville. Subsistent 4 portes et 2 tours possédant consoles et clés de voûte sculptées, témoins des dynamiques ateliers de sculpture de la ville.
Grâce à sa neutralité, la ville accueille en 1529 Marguerite d’Autriche et Louise de Savoie, signataires de la Paix des Dames. L’hôtel Saint-Pol en est le seul souvenir. En 1543, Charles Quint met fin à cette indépendance et, pour asseoir son pouvoir, fait construire une citadelle par Di Boni. Cette forteresse bastionnée commande à la fois la ville et la campagne. Bien qu’en partie démantelée à la fin du XIXe siècle, elle est la dernière des citadelles impériales conservées de l’Europe du Nord-Ouest. Paquebot enseveli, elle garde un réseau de galeries de contre-mine de 7 km, sa porte principale, son ancienne porte et quelques bâtiments des XVIe, XVIIIe et XIXe siècles. La maison dite Espagnole est un autre souvenir de l’appartenance aux Pays-Bas espagnols. Cette maison à pans-de-bois est représentative de l’habitat privé du Moyen Age et du XVIe siècle qui constitue les 2/3 du parc immobilier de la ville au début du XVIIIe siècle.
Jusqu’à son rattachement à la France en 1677, la ville regarde vers le Nord pour l’architecture civile et religieuse. Des maisons à pignons bordent les places et les rues. La maison de l’Arbre d’Or ainsi que la maison des Canonniers sur la place du Marché évoquent Gand ou Anvers. Majoritaires jusqu’à la fin du XVIIe siècle, les pignons disparaissent peu à peu au profit des toits en pavillon ou à la française. Pour les hôtels particuliers, la tendance reste à l’hôtel front-à-rue -par gain de place- à l’exception de l’hôtel de Francquevillle, rue de l’Epée, bel exemple d’hôtel entre cour et jardin. L’architecture religieuse du XVIIe siècle se différencie elle aussi de celle du XVIIIe siècle même si des habitudes persistent. La chapelle des Jésuites, achevée en 1692, contraste avec l’église abbatiale du Saint-Sépulcre, actuelle cathédrale, construite sous l’archiépiscopat de Fénelon (1695-1715). La façade baroque de la chapelle contraste avec l’austère et sage façade de la cathédrale. Le chantier de l’actuelle église Saint-Géry s’échelonne de 1697 à 1745. D’une grande originalité, la croisée du transept, vaste et claire, est portée par quatre colonnes élancées. Les fortifications connaissent de multiples améliorations. Bastionnée en terre et en bois par les Espagnols et les Néerlandais, l’enceinte de la ville est pétrifiée par les Français. Avec la multiplication des ouvrages avancés, les portes perdent leur rôle défensif. La porte Notre-Dame de 1623 ornée de bossages en pointe de diamant en est un exemple.
De la trentaine d’établissements religieux à la veille de la Révolution, subsistent trois églises, trois chapelles et le clocher de l’église Saint-Martin, utilisé comme beffroi. En 1810, le canal de Saint-Quentin, inauguré par l’Empereur, conforte le rôle commerçant de la ville. Si en 1862, des jardins publics agrémentés d’un kiosque et de sculptures sont aménagés sur l’esplanade entre la ville et la citadelle, Cambrai étouffe dans le carcan de ses fortifications dont le démantèlement ne débute qu’en 1892. Les boulevards remplacent les fossés remblayés. Des immeubles aux styles néoclassique et éclectique côtoient des villas pittoresques précédées de jardins le long des boulevards Faidherbe et de la Liberté. Ateliers, usines et entrepôts, accompagnés de leur habitat ouvrier, sont rejetés à l’extérieur.
En 1918, tout le centre est à reconstruire. En retenant Pierre Leprince Ringuet comme lauréat du concours d’aménagement, d’embellissement et d’extension, la municipalité choisit le parti de la modernité. La ville est réorganisée autour de l’hôtel de ville dont la façade du XIXe siècle est conservée et la Grand-Place agrandie. La vie administrative et économique est concentrée sur les places de la République et Aristide-Briand. La voirie est entièrement redessinée. L’avenue de la Victoire, rectiligne, relie aisément l’hôtel de ville à la porte de Paris. La communication entre boulevards, canal et gare est facilitée. Un habitat de qualité emprunte son architecture au courant régionaliste, teinté d’éléments d’Art nouveau et d’Art déco. Les architectes ont donné un caractère original et homogène aux quartiers reconstruits (place A.-Briand et de la République, avenue de la Victoire, mail Saint-Martin, rue Sadi-Carnot) où l’unité générale est tempérée par les décors néo-flamands et les motifs ornementaux diffusés par la compagnie des Arts français. Le théâtre et surtout la chambre de commerce présentent un aperçu de l’œuvre de Pierre Leprince Ringuet, qui s’est entouré de mosaïstes, fresquistes, sculpteurs sur ciment, maîtres verriers, ferronniers de talent. Au lendemain de la seconde guerre mondiale, l’ancienne place au Bois est organisée autour d’un marché couvert à la technique audacieuse. Communiquant dans le passé avec la place Aristide-Briand, elle est aujourd’hui coupée par la Choque, un ensemble de bâtiments caractéristiques de l’architecture des années 50. La rénovation du musée des Beaux-Arts, réalisée en 1994 par J.-F. Bodin et T. Germe, associe préservation du patrimoine et création contemporaine.
