Sous l'Ancien Régime, la collégiale Notre-Dame possède un orgue dont les titulaires sont mentionnés dans les archives de 1673 à 1790. Cet orgue, qui aurait été offert par Etienne Chevalier vers 1460, disparaît à la Révolution et n'est réellement remplacé qu'à la fin du 19e siècle, même si un faux orgue est établi en 1840. A l'instigation de l'abbé Séroin, curé de Notre-Dame, la fabrique achète son orgue personnel à la cantatrice Pauline Viardot en 1885. Cet instrument avait été commandé à Aristide Cavaillé-Coll par Pauline Viardot en 1850 pour le salon de musique de son hôtel particulier, rue de Douai, à Paris. Les plans du buffet sont dus à l'architecte Liénard. L'orgue, achevé en 1851, jouit très vite d'une grande célébrité, liée au succès des jeudis de Pauline Viardot, fréquentés par Gounod, Liszt, Saint-Saëns, etc : il est présenté par Cavaillé-Coll à l'Exposition universelle de 1855. Lorsque Pauline Viardot se retire, en 1863, l'orgue est transféré dans sa maison de Baden-Baden. La guerre de 1870 amène un nouveau déménagement, à Bougival. Après son achat par la fabrique, l'orgue est enfin remonté à Notre-Dame fin 1885 ou début 1886, sur une tribune construite par l'entrepreneur Lequeux (après destruction de l'ancienne tribune). A l'occasion de ce transfert, sont apportées de légères modifications : le buffet est relevé d'environ 25 cm, et le médaillon de Ary Scheffer représentant la Malibran (soeur de Pauline Viardot), qui ornait le haut du buffet, est remplacé par une horloge. Depuis son installation dans la collégiale, l'orgue a connu plusieurs restaurations : par Charles Mutin vers 1896, Duputel en 1912, Paul-Marie Koenig en 1955 (à la suite des bombardements de 1940), Jean Jonet en 1966. Les parties latérales sont des rajouts, peut-être assez anciens : elles pourraient dater de l'installation de l'orgue à Baden-Baden en 1864.