L'instrument médiéval a été détruit par les protestants, il n'en reste rien. L'orgue classique commandé en 1596 au facteur parisien Jean d'Argillières est achevé en 1597. Il est restauré successivement en 1609, 1622 et 1646, comme le mentionnent des délibérations capitulaires. A la fin du XVIIe siècle, l'entretien de l'orgue est confié au facteur normand Robert Ingout, puis à son fils Marin Ingout, qui en 1712 procède à un agrandissement de l'instrument, connu par un document longtemps demeuré dans l'orgue. Marin Ingout procède à l'adjonction d'un clavier de récit et dote le pédalier de deux jeux indépendants : une flûte et un clairon.

A partir de 1729 et jusqu'à la Révolution française, il revient à la famille Parisot, notamment Henri Parisot, d'assurer l'entretien du grand orgue. Au sortir de la Révolution, en 1804, le facteur d'orgue Dominique Huet réalise un relevage de l'instrument dont témoigne un graffito sur le mur sud de la tribune. Huet porte la pédale à 24 notes, avec deux jeux de 16 pieds. L'orgue restauré et entretenu par Dominique Huet demeure un instrument classique de 36 jeux répartis du quatre claviers manuels et un pédalier. L'alimentation était alors assurée par six soufflets cunéiformes.

Dans les années 1830, une restauration est jugée nécessaire mais n'aboutit pas en dépit de plusieurs projets. L'administration des Cultures confie finalement la restauration au facteur John Abbey qui soumet un devis de reconstruction en 1843 pour un montant de 27 615 francs. Il proposait en effet de ne conserver que 20 jeux anciens pour un nouvel instrument de 38 jeux répartis sur deux claviers de 54 notes et un Récit-Echo de 42 notes. Le devis est accepté par l'évêque Louis-François Robin le 8 mars 1843. Le vieil orgue est démonté en 1844, et il faut attendre 1847 pour que soit installé un orgue provisoire sur le jubé. L'instrument prévu par John Abbey ne peut être fourni tant que le buffet n'a pas été agrandi ; mais fragilisée par la Révolution de 1848, l'entreprise d'Abbey fait faillite, son projet est abandonné.

A la suite de l'échec de l'intervention du facteur John Abbey, Cavaillé-Coll remet en 1858, à la demande de l'évêque de Bayeux, monseigneur Didiot, un devis pour la construction d'un grand orgue. Son montant s'élève à plus de 53 000 francs somme dont il faut déduire 6000 francs, correspondant à l'évaluation des quelques tuyaux anciens et surtout des sommiers posés par Abbey à la fin des années 1840, qui doivent être réutilisés. Cette contrainte conduit Cavaillé-Coll à installer des claviers de 54 notes à une époque où se construisaient déjà des instruments de 56 notes, mieux adaptés au répertoire de l'orgue symphonique alors en vogue (Widor et Vierne).

La soufflerie primaire, installée dans une salle de la tour sud, a été actionnée par deux "souffleurs", manœuvrant chacun deux pédales avec leurs pieds, jusqu'à l'installation d'un moteur électrique en 1913.

La seule transformation d'importance de l'instrument est l'agrandissement du pédalier, qui passe de 25 à 30 notes, et la suppression de la pédale d'Orage, passée de mode, en 1942 par Georges Gloton. L'orgue a fait l'objet d'opération de relevage ou de restauration de manière régulière : 1878 par Cavaillé-Coll, 1893 par Charles Mutin, 1913 par Joseph Koenig, 1942 par Gloton, 1977 par Danion-Gonzalez et en 1996 par la maison Renaud-Menoret. A l'occasion de cette dernière intervention, qui a permis de retrouver l'instrument du XIXe siècle modifié par les relevages précédents, l'orgue a été démonté puis a fait l'objet d'une harmonisation par Denis Lacorre.