К этому времени исследователи относят строительство в городе кафедрального собора на месте ныне существующего. Считается, что работы начались, когда кафедру Кёльна занимал Хильдебольд; собор был закончен при архиепископе Виллиберте (870–889 гг.). Однако, согласно некоторым источникам (Фульдские и Сен-Бертенские анналы), основной этап строительства и завершение собора относятся ко времени правления архиепископа Гунтара, низложенного в 863 г. папой Римским Николаем I Великим (858–867 гг.) за непримиримую позицию в споре о юрисдикции над епископством Бремен (несмотря на решение папы, Гунтар отказался признать Бремен частью Гамбургского архиепископства), а также за благословение короля Лотарингии Лотаря II на развод и повторный брак. Исследователи полагают, что поэтому Гунтар впоследствии рассматривался как «нежелательное» лицо, и в позднее Средневековье строительство храма могло быть приписано Хильдебольду. В соответствии с Мерсенским договором (870 г.) Кёльн вошёл в состав владений короля Людовика Немецкого. В это время земли по течению реки Рейн нередко подвергались нападениям норманнов. В 881/882 г. скандинавы захватили и сожгли Кёльн. Город был полностью разрушен, утрачены многие документы, в том числе грамоты о дарованных правителями привилегиях (исследователи полагают, что это стало причиной составления первого известного перечня иерархов Кёльна при архиепископе Виллиберте (870–889 гг.) и Житий епископов Северина и Куниберта). В последней трети IX – начале X вв. город неоднократно переходил от одного правителя к другому, пока при короле Генрихе I Птицелове (919–936 гг.) окончательно не вошёл в состав Восточнофранкского королевства. В первой половине X в. Кёльн вновь стал важнейшим экономическим центром; этому способствовала не только относительная безопасность Рейна, но и увеличение товарообмена между Фландрией и Саксонией, материком и Британскими островами. На берегах Рейна велась оживлённая торговля, город получил право чеканить монету, широкое распространение в торговых операциях получили кёльнские денарии (Kölner Pfennig). Расположение на пересечении торговых путей определило статус Кёльна как транзитного центра и одного из важнейших складских пунктов Западной Европы. Определяющим в развитии города стало правление архиепископа Бруно (953–965 гг.), младшего брата императора Оттона I и его архикапеллана. Руотгер, составитель Жития святого Бруно, подчёркивал политический авторитет архиепископа, второго после императора человека в государстве. Во время похода Оттона I против венгров Бруно выполнял обязанности наместника империи, в 954 г. архиепископу было передано герцогство Лотарингия, в котором Бруно обладал высшей судебной и военной властью, правом чеканить монету, собирать налоги и пошлины. Полномочия архиепископа как герцога (archidux) Лотарингии способствовали укреплению его единоличной власти над городом; одновременно прелат получил право участвовать в избрании германского короля. Таким образом оставаясь вассалом германского короля (или императора), святой Бруно стал первым князем-епископом, духовным и светским главой суверенной территории – церковного княжества. Основу земельных владений кафедры составили области в долине Рейна (вокруг Бонна, Юлиха, Нойса, Ксантена), позднее к ним были присоединены земли в Вестфалии (окрестности городов Аттендорн, Медебах и Зост). Единство светской и духовной власти прелата, статус Кёльна как архиепископской кафедры и столицы сеньории подчёркивались в чеканке кёльнского денария: начиная с правления архиепископа Пилигрима (1021–1036 гг.) на одной стороне монеты был представлен правящий архиепископ, на другой – символическое изображение Кёльна.