尖塔倒塌后，20名消防员冒着生命危险爬进起火的钟塔内，两座钟塔得以保存。为协助消防员制定救火路线，巴黎消防队还使用了两架大疆无人机。
巴黎消防部门于4月16日发布视频，记录了消防员灭火的过程。法国内政部长副部长努涅斯对消防员的“勇敢与决心”大加赞赏，坦言当时距离圣母院被完全摧毁仅剩“15到30分钟”。
另据美联社报道，当时正在参加弥撒的维克斯欧（Johann Vexo）回忆，听到第一声警报时，所有人都“原地不动”沉默了约一分钟。之后，圣母院的后门打开，大家在几分钟内就全部撤离。
在这之后的23分钟里，由于没有看到火光，在场的人怀疑警报系统出现问题；直到6点43分，第二次警报响起。此时，在塞纳河畔的目击者已经能看见圣母院屋顶的火光。
但第一批消防员赶到现场时，火势看上去还处于可控情况。巴黎圣母院神父肖维（Patrick Chauvet）回忆，当教堂尖顶陷入火海时，消防员砸开了藏宝箱，将圣母院最重要的文物耶稣受难荆棘冠、耶稣受难十字架碎片、用于钉十字架的圣钉以及路易九世的长袍抢救出来。
荆棘冠为路易九世在13世纪购得，从1896年起就放在保护箱内保存，仅偶尔放出对外参观。这些文物现在已经被送往秘密地点保存。
在抢救文物时，巴黎消防队的随行牧师富尼耶（Jean-Marc Fournier）主动要求加入行动。
不愿意透露姓名的消防员透露，进入圣母院后，富尼耶直接冲向文物所在地，“没有表现出任何恐惧，确保每件文物都被安全抢救出来”。
加入消防队之前，富尼耶曾担任法国军队的随行牧师七年，并随军前往阿富汗。在阿富汗期间，富尼耶与战友遭遇伏击，造成10名士兵丧生，富尼耶幸免于难。
在2015年的巴黎音乐厅恐袭后，他还为幸存者提供过精神指导。
救出文物之后，消防员开始抢救圣母院内的艺术品。巴黎消防队指挥官加莱（Jean-Claude Gallet）称，由于火势增强，消防员只能冒着浓烟抢救艺术品，“因为碎片在往下掉，必须把它们抢出来防止遭到破坏”。
到晚上7点49分，圣母院标志性的尖顶垮塌，火势开始向两座钟塔蔓延。20名消防队员爬上钟塔，进入起火的钟塔内灭火。
直到晚上11点23分，消防队宣布两座钟塔以及主体建筑结构幸免于难，但三分之二的屋顶被烧毁。内政部长副部长努涅斯称，正是消防员“冒着极大的生命危险”进入塔内，才让两座钟塔得以保存。
超过400名消防员参与了巴黎圣母院的灭火行动。除了消防员和消防车，消防队派遣船只从塞纳河内抽水、还动用了两架中国制造的无人机、同时操作机器人协助灭火。
巴黎消防队从法国文化部和内政部借用了两架大疆无人机Mavic Pro及Matrice M210。这两架无人机都装有热像仪，能追踪火势蔓延的路径和火源，帮助消防队员制定灭火方案。
消防员在教堂内灭火时也使用了远程遥控灭火机器人Colossus。这种防火防水的机器人能架设灭火水龙带、运送工具还能将伤员带出火场。
美国前消防员法尔福（Gregg Favre）在Twitter上发文指出，巴黎圣母院灭火的难点之一就是老教堂的木质屋顶框架。他表示，类似巴黎圣母院之类的老教堂在修建屋顶框架时都使用了开放式空间设计，几乎没有防火封堵系统，火势能迅速蔓延。
圣母院屋顶的木质框架被称为“森林”，由12世纪和13世纪的大树原木所建。“森林”在大火中几乎全部烧毁。
在木质框架起火后，高温将烘烤石制外墙，让消防员很难确定起火源。而石墙同时还会将高温和烟雾封锁在室内，给消防员从内部灭火造成极大困难。
纽约约翰杰伊刑事司法学院的副教授格伦科贝特（Glenn Corbett）在接受CNN采访时还指出，圣母院尖塔的高度也给灭火造成困难，在助燃的同时也让消防员难以迅速到达着火点。
美国总统特朗普所建议的空中洒水灭火会造成建筑物坍塌，而上升的烟柱和热气流也阻碍了直升机的使用。
法尔福认为，在这样的条件下能保住巴黎圣母院的主体建筑，消防员付出了“巨大努力”，“你问任何一个职业消防员，都会说这是一次了不起的灭火行动，参与行动的消防员应该被盛赞”。
除了主体建筑、耶稣受难荆棘冠等重要文物之外，巴黎圣母院的彩色玫瑰花窗、有8000支音管的管风琴、祭坛，以及因维修被提前移走的16尊铜像得以保存。
教堂墙上的油画目前情况不明，文化部官员推测油画没有被烧毁，但可能因烟雾熏烤受损。消防部门官员表示，只有在确认巴黎圣母院可以进入后，才能详细统计火灾损失。
