Au-dessus du grand portail de la façade se déploie la grande verrière occidentale d'une superficie de 350 m2. Elle comporte une grande rosace de 11 m de diamètre et fut créée en 1384 par Hermann de Münster (Münster, Westphalie, c.1330 - Metz, 1392). Elle illustre la concordance entre les articles du Symbole des Apôtres et leur préfiguration dans l’Ancien Testament.
Preuve de la notoriété d'Hermann de Münster et de la reconnaissance des chanoines, il se vit accorder le droit de sépulture dans la cathédrale et fut inhumé au pied de son chef-d’œuvre.

La grande verrière du bras sud du transept est le chef-d’œuvre de Valentin Bousch (Strasbourg, fin XVe s. - Metz, 1541), exécuté en 1521-1527. Son activité est attestée à partir de 1514. Il travaille d’abord à la Basilique de Saint-Nicolas-de-Port, siège d’un pèlerinage fréquenté, puis à la cathédrale de Metz dont il devient le verrier attitré de 1520 jusqu’à sa mort en 1541, mais il est employé également pour d’autres édifices de Lorraine. Le style de Valentin Bousch emprunte beaucoup de ses traits à l’art germanique, en particulier à Hans Baldung Grien qu’il connaissait probablement.

Dans le transept nord, la magnifique verrière de Théobald de Lixheim est datée de 1504. La rose du sommet avec le Couronnement de la Vierge surmonte les quatre Évangélistes dans les quadrilobes.
Les trois niveaux de lancettes figurent au registre supérieur huit saints, au registre intermédiaire huit saintes, et au registre inférieur huit apôtres avec les articles du Credo sous leurs pieds et les scènes de leur martyr. Au bas des lancettes intermédiaires coure une frise à fond bleu portant l’inscription :
HOC OPUS PER THEOBALDUM DE LYXHEIM VITRIARIUM PERFECTUM EST ANNO DOMINI MCCCCCIV.
« Cette œuvre fut achevée par Theobald de Lixheim, verrier, en l’an du Seigneur 1504. »

L’atelier Mayer de Munich réalisa des baies modernes aux tons vifs et colorés pour la chapelle Notre-Dame-la-Ronde. Ils montrent la Vierge Marie en prière, dans la gloire et au pied de la croix.

En 1957, Jacques Villon réalise cinq baies vitrées pour la chapelle du Saint-Sacrement de la cathédrale Saint-Étienne de Metz. C'est le thème de la Crucifixion dans le vitrail axial qui va révéler toute l'originalité du travail de Jacques Villon. Il s'est inspiré de l'évangile de saint Jean relatant l'événement de la lance portée par un soldat romain qui va percer le côté de Jésus d'où « il sortit aussitôt du sang et de l'eau » (Jn.19, 31-37).

En 1959, Marc Chagall accepte de peindre les cartons de deux baies du déambulatoire nord avec pour sujets des épisodes de l’Ancien Testament. L’univers biblique et onirique de Chagall est admirablement servi par le savoir-faire de l’atelier Simon-Marq à Reims. L’œuvre, d’une grande liberté, met à contribution toutes les ressources de la gravure et de la peinture sur verre.
Un vitrail de Marc Chagall de 1963 représentant la scène d’Ève et de la pomme a été brisé par un ou plusieurs cambrioleurs dans la nuit du 10 août 2008.