尖塔倒塌後，20名消防員冒著生命危險爬進起火的鍾塔內，兩座鍾塔得以保存。為協助消防員製定救火路線，巴黎消防隊還使用了兩架大疆無人機。
巴黎消防部門於4月16日發布視頻，記錄了消防員滅火的過程。法國內政部長副部長努涅斯對消防員的“勇敢與決心”大加讚賞，坦言當時距離聖母院被完全摧毀僅剩“15到30分鍾”。
另據美聯社報道，當時正在參加彌撒的維克斯歐（Johann Vexo）回憶，聽到第一聲警報時，所有人都“原地不動”沉默了約一分鍾。之後，聖母院的後門打開，大家在幾分鍾內就全部撤離。
在這之後的23分鍾裏，由於沒有看到火光，在場的人懷疑警報係統出現問題；直到6點43分，第二次警報響起。此時，在塞納河畔的目擊者已經能看見聖母院屋頂的火光。
但第一批消防員趕到現場時，火勢看上去還處於可控情況。巴黎聖母院神父肖維（Patrick Chauvet）回憶，當教堂尖頂陷入火海時，消防員砸開了藏寶箱，將聖母院最重要的文物耶穌受難荊棘冠、耶穌受難十字架碎片、用於釘十字架的聖釘以及路易九世的長袍搶救出來。
荊棘冠為路易九世在13世紀購得，從1896年起就放在保護箱內保存，僅偶爾放出對外參觀。這些文物現在已經被送往秘密地點保存。
在搶救文物時，巴黎消防隊的隨行牧師富尼耶（Jean-Marc Fournier）主動要求加入行動。
不願意透露姓名的消防員透露，進入聖母院後，富尼耶直接衝向文物所在地，“沒有表現出任何恐懼，確保每件文物都被安全搶救出來”。
加入消防隊之前，富尼耶曾擔任法國軍隊的隨行牧師七年，並隨軍前往阿富汗。在阿富汗期間，富尼耶與戰友遭遇伏擊，造成10名士兵喪生，富尼耶幸免於難。
在2015年的巴黎音樂廳恐襲後，他還為幸存者提供過精神指導。
救出文物之後，消防員開始搶救聖母院內的藝術品。巴黎消防隊指揮官加萊（Jean-Claude Gallet）稱，由於火勢增強，消防員隻能冒著濃煙搶救藝術品，“因為碎片在往下掉，必須把它們搶出來防止遭到破壞”。
到晚上7點49分，聖母院標誌性的尖頂垮塌，火勢開始向兩座鍾塔蔓延。20名消防隊員爬上鍾塔，進入起火的鍾塔內滅火。
直到晚上11點23分，消防隊宣布兩座鍾塔以及主體建築結構幸免於難，但三分之二的屋頂被燒毀。內政部長副部長努涅斯稱，正是消防員“冒著極大的生命危險”進入塔內，才讓兩座鍾塔得以保存。
超過400名消防員參與了巴黎聖母院的滅火行動。除了消防員和消防車，消防隊派遣船隻從塞納河內抽水、還動用了兩架中國製造的無人機、同時操作機器人協助滅火。
巴黎消防隊從法國文化部和內政部借用了兩架大疆無人機Mavic Pro及Matrice M210。這兩架無人機都裝有熱像儀，能追蹤火勢蔓延的路徑和火源，幫助消防隊員製定滅火方案。
消防員在教堂內滅火時也使用了遠程遙控滅火機器人Colossus。這種防火防水的機器人能架設滅火水龍帶、運送工具還能將傷員帶出火場。
美國前消防員法爾福（Gregg Favre）在Twitter上發文指出，巴黎聖母院滅火的難點之一就是老教堂的木質屋頂框架。他表示，類似巴黎聖母院之類的老教堂在修建屋頂框架時都使用了開放式空間設計，幾乎沒有防火封堵係統，火勢能迅速蔓延。
聖母院屋頂的木質框架被稱為“森林”，由12世紀和13世紀的大樹原木所建。“森林”在大火中幾乎全部燒毀。
在木質框架起火後，高溫將烘烤石製外牆，讓消防員很難確定起火源。而石牆同時還會將高溫和煙霧封鎖在室內，給消防員從內部滅火造成極大困難。
紐約約翰傑伊刑事司法學院的副教授格倫科貝特（Glenn Corbett）在接受CNN采訪時還指出，聖母院尖塔的高度也給滅火造成困難，在助燃的同時也讓消防員難以迅速到達著火點。
美國總統特朗普所建議的空中灑水滅火會造成建築物坍塌，而上升的煙柱和熱氣流也阻礙了直升機的使用。
法爾福認為，在這樣的條件下能保住巴黎聖母院的主體建築，消防員付出了“巨大努力”，“你問任何一個職業消防員，都會說這是一次了不起的滅火行動，參與行動的消防員應該被盛讚”。
除了主體建築、耶穌受難荊棘冠等重要文物之外，巴黎聖母院的彩色玫瑰花窗、有8000支音管的管風琴、祭壇，以及因維修被提前移走的16尊銅像得以保存。
教堂牆上的油畫目前情況不明，文化部官員推測油畫沒有被燒毀，但可能因煙霧熏烤受損。消防部門官員表示，隻有在確認巴黎聖母院可以進入後，才能詳細統計火災損失。
