Le vitrail occupe dans une église gothique une surface que l'architecture romane ne lui accordait pas. Le report des charges sur les piles, les contreforts et les arcs-boutants décharge le mur de sa fonction porteuse, et la baie peut alors s'élargir jusqu'à occuper presque tout l'intervalle entre deux supports. Les fenêtres hautes de la nef, les roses des bras du transept et les verrières du chœur forment ainsi une paroi de verre maintenue par un réseau de pierre, le remplage, dont les meneaux et les ajours se compliquent au fil des siècles. La Sainte-Chapelle de Paris, consacrée en 1248, pousse ce principe jusqu'à sa limite : l'étage haut y est presque entièrement vitré et la maçonnerie s'y réduit à une armature. Dans les édifices de plus grandes dimensions, la hauteur des verrières impose des armatures de fer, les barlotières et les vergettes, scellées dans la pierre pour tenir les panneaux contre la poussée du vent.

Un panneau de vitrail médiéval se construit à partir d'un dessin grandeur nature, tracé d'abord sur une table enduite de craie, puis, à la fin du Moyen Âge, sur un carton de papier. Le maître verrier découpe dans ce tracé les pièces de verre coloré, à l'aide d'un fer chaud puis d'une grésoire qui grignote les bords jusqu'au profil voulu. Les détails des visages, des plis et des inscriptions sont peints à la grisaille, un mélange de verre broyé et d'oxyde métallique appliqué au pinceau, que la cuisson fixe définitivement sur la surface. Les pièces sont ensuite assemblées dans un réseau de plombs en forme de H, soudés à l'étain à chaque intersection, puis l'ensemble est étanché au mastic avant la pose dans la baie.
La couleur d'un verre médiéval vient des oxydes métalliques introduits dans la pâte en fusion. Le cobalt donne les bleus, le cuivre les verts et une partie des rouges, le manganèse les pourpres, le fer les jaunes et les verts pâles. Le rouge profond pose un problème particulier : employé dans la masse, il devient presque opaque, et les ateliers le produisent donc par placage, en soufflant une mince couche colorée sur un verre incolore. L'apparition du jaune d'argent, au début du XIVe siècle, modifie la pratique : appliqué en surface puis cuit, ce sel donne un jaune transparent sur une pièce déjà découpée, ce qui permet deux couleurs sur un même morceau de verre et réduit le nombre de plombs. Les verrières de grisaille, faites de verre clair à décor végétal, se répandent à la même époque et éclaircissent beaucoup les intérieurs.
La rose est une baie circulaire dont le remplage rayonne autour d'un oculus central. Son diamètre approche la dizaine de mètres dans les grandes cathédrales, et sa construction suppose une taille de pierre d'une précision qui a fait progresser le métier lui-même. Les roses des façades occidentales éclairent la nef en fin de journée, celles des transepts le matin et en milieu de journée, ce qui oriente le choix des thèmes et la répartition des tons. Le style rayonnant, à partir du milieu du XIIIe siècle, multiplie les lancettes et les ajours ; le flamboyant substitue ensuite aux rayons droits des courbes en forme de flamme.
Un vitrail ancien se dégrade par plusieurs mécanismes simultanés. Le plomb flue sous son propre poids et se fatigue sous l'effet du vent, les soudures cassent, et la corrosion forme sur le verre une croûte qui obscurcit la lumière, surtout sur la face extérieure exposée à la condensation. Les ateliers de restauration démontent les panneaux, nettoient les verres, remplacent le réseau de plombs et reposent parfois la verrière derrière une doublure de protection ventilée. Une part importante des panneaux visibles aujourd'hui dans les cathédrales françaises comporte des pièces refaites au XIXe siècle, période où la redécouverte du Moyen Âge a entraîné des campagnes de restauration parfois très interventionnistes.