Spätromanische Bauteile
Vermutlich im Auftrag des letzten Zähringer Herzogs Bertold V. (1186-1218), der im Münster bestattet wurde, begann man nach 1200 mit dem monumentalen Neubau der heutigen Kirche. Zwar geben keine schriftlichen Quellen Auskunft über den Bau des spätromanischen, sog. "bertoldinischen Münsters", doch ermöglichen die Formen des Bauwerks und seine Ornamente eine zeitliche Eingrenzung in das beginnende 13. Jahrhundert.
Zu diesem ältesten Bauabschnitt des Münsters gehören das Querhaus mit der Vierungskuppel (nur im Innern zu sehen) und die beiden später gotisch erhöhten Chorflankentürme. Nach den Wetterhähnen auf ihren Turmspitzen werden sie auch "Hahnentürme" genannt werden.
Als Vorbild diente das Basler Münster, von wo vermutlich auch die Baumeister und Steinmetze kamen. Die Funktion als herzogliche Grabeskirche hat den Bauherrn vermutlich veranlasst, sich am damals bedeutendsten und modernsten Bau der Region zu orientieren. Wie in Basel plante man eine dreischiffige rippengewölbte und kreuzförmige Basilika mit einem mehreckigen (polygonalen) Chor, einem Vierungsturm, zwei Chorflankentürmen und Emporenräume über den Seitenschiffen.
Der mittelalterlichen Gewohnheit entsprechend, baute man die neue Kirche um die alte herum, um diese so spät wie möglich abzureißen, und begann den Bau im Osten, wo sich der liturgisch wichtigste Bereich, der Chor mit dem Hochaltar befindet. Ausgeführt wurden neben den heute sichtbaren Bauteilen auch der Chor sowie die zwei südlichen Seitenschiffjoche des Langhauses. Von der Choranlage, die Ende des 15. Jh. abgebrochen wurde, blieben im Innern die reich gegliederten Längswände erhalten. Gemeinsam mit Grabungsfunden ermöglichen sie ihre Rekonstruktion in Anlehnung an die Chöre des Basler Münsters und der Pfarrkirche in Pfaffenheim (Elsaß).
Die spätromanischen Bauteile des Freiburger Münsters zeichnen sich durch einen sauberen Mauerverband aus qualitätsvoll bearbeiteten großen Sandsteinquadern und reichem Bauschmuck aus: Die Außenwände gliedern Lisenen und Rundbogenfriese, die Hahnentürme gekuppelte Rundbogen-Fenster auf kleinen Mittelsäulen, umrahmt von Blendnischen. Im südlichen und nördlichen Querhaus wurden über einer Dreier-Fenstergruppe große Radfenster eingebaut. Auf der Südseite führt ein schönes, dreifach gestuftes Säulenportal (Nikolausportal) mit fein gearbeiteten blatt- und rankenverzierte Kapitellen in die Kirche. Sein Bogenfeld schmückt die Steinfigur des hl. Nikolaus von Bari, Schutzpatron der Kaufleute.
Eindrucksvoll wirkt das Querhaus im Innern mit der hohen Vierungskuppel, den gewaltigen Bündelpfeilern und den Spitzbogenarkaden. An den Westwänden sind noch die - später vermauerten - Emporenöffnungen zu sehen. Den Ansatz einer Emporenöffnung zeigt auch die südliche Langhauswand über der ersten Arkade. In den Erdgeschossen der Chortürme befinden sich Kapellenräume mit reichem plastischen Schmuck. Besonders die südliche, dem hl. Nikolaus geweihte (heute Eingang zum Chorumgang), zeigt aufwendige ornamentale und figürliche Dekorationen an Kapitellen, Kämpfern und Gesimsen.
Ursprünglich war der Boden unter der Vierungskuppel um 1,80 Meter erhöht; der Chor selbst lag noch einige Stufen höher. Dies lässt sich an den hohen Basen der östlichen Vierungspfeiler, den hohen Türöffnungen im Chorbereich und den Steinauswechslungen an den Bündelpfeilern erkennen. Schranken mit figürlichem Schmuck grenzten den erhöhten Vierungsbereich gegen das Langhaus und das Querhaus ab. Bei den Grabungen 2006 entdeckte man die Fundamente und untere Stufe der seitlichen Treppen, die zu der Vierung hochgeführt hatten. Diese Grabungen erbrachten auch den entscheidenden Nachweis, dass sich unter der Vierung - entgegen der häufig vertretenen Ansicht und auch im Gegensatz zu der vergleichbaren Anlage im Straßburger Münster - keine Krypta befunden hat. Man vermutet jedoch dort das ehemalige Grab Herzogs Bertold V, das bei der Niederlegung des Bodens im 16. Jh. versetzt wurde und heute verloren ist.