Le Coutumier Langevin précise, en 1270 que le grand-couteur de la cathédrale de Bayeux est chargé de garder les orgues, ce qui constitue la plus ancienne mention connue de l'orgue médiéval. L'instrument était alors logé sur une tribune en surplomb située dans la seconde travée nord de la nef ; cette tribune elle-même a été édifiée entre 1240 et 1260 date de la construction du second niveau gothique de la nef. L'orgue a vraisemblablement été agrandi sous l'épiscopat de Nicolas Habart (1421-1431), reconstructeur de la base de la tour centrale et commanditaire du bâtiment de la bibliothèque du chapitre. Cet agrandissement est attesté par la présence de deux culots ornés d'anges portant des armoiries (celle du chapitre d'un côté, du roi d'Angleterre de l'autre), sans doute destinés à supporter de nouvelles tourelles abritant de gros tuyaux d'orgue. D'autres travaux de moindre ampleur ont été entrepris en 1494 et 1527, avant la destruction de l'instrument par les protestants en 1562.

En 1596, l'évêque et le chapitre décident de commander un nouvel instrument pour l'installer sur une tribune en bois reposant sur quatre piliers, construite au revers de la façade ouest. Pour la partie instrumentale, les chanoines s'adressent au facteur parisien Jean d'Argillières, déjà auteur de plusieurs orgues en Normandie et au menuisier caennais Jacques Ier Lefebvre pour exécuter le buffet. L'ensemble coûte entre 15 000 et 16 000 livres. L'instrument n'est pas affecté par le remplacement de la tribune occidentale en bois par une tribune en pierre, en 1775 et traverse la Révolution sans dommage, contrairement à la plupart du mobilier de la cathédrale.

Sous l'Empire, l'instrument est restauré, mais dans les années 1840, le facteur John Abbey prône une reconstruction partielle qui aboutit à un élargissement du buffet par le menuisier caennais Louis Le Breton entre 1846 et 1848. Ce projet n'est pas mené à son terme en raison de la faillite de l'entreprise d'Abbey en 1850. Dans les années qui suivent les programmes envisagés restent à l'état de projet, la priorité au sein de la cathédrale étant de procéder aux travaux sur la tour centrale. Une fois ce chantier terminé en 1858, l'évêque, monseigneur Didiot sollicite la maison Cavaillé-Coll pour relancer le projet de grand orgue.

Aristide Cavaillé-Coll propose un devis le 24 novembre 1858, dont le montant s'élève à plus de 53 000 francs. Si 6000 francs peuvent être déduits en raison de la réutilisation de matériaux existants, il convient de réunir la somme de 47 000 francs. Le ministère de l'Instruction publique et des Cultes s'engage à verser 30 000 francs, le chapitre 6 000, l'évêque s'occupe de rassembler le solde. A cette fin, il publie le 3 septembre 1859 un mandement appelant à la générosité des fidèles au moyen d'une souscription. Lu dans toutes les églises, ce texte se révèle un relais efficace ; en quatre mois 25 000 francs sont collectés.

Le projet du grand orgue de Cavaillé-Coll est officiellement accepté le 20 avril 1860, les travaux peuvent démarrer. Le montage et l'harmonisation sont exécutés au premier semestre 1862 pour aboutir à l'inauguration fastueuse de l'instrument les 12 et 13 juillet. L'organiste Louis-James Alfred Lefébure-Wély procède à la réception de l'instrument et rédige le rapport officiel (du 26 juillet 1862).

Le grand orgue a connu depuis des relevages et des restaurations mais il a conservé la composition de Cavaillé-Coll, conduisant au classement Monument historique de la partie instrumentale en 1973 et du buffet en 1975.