Die schlichte ottonische Stiftskirche wurde seit dem 11. Jahrhundert in mehreren Schritten zu einem anspruchsvollen Bau verwandelt.
Das Stift errichtete mit Unterstützung des Erzbischofs seit etwa 1030 einen neuen Langchor über einer dreischiffigen Krypta (Weihe 1043). Der Chor, bislang lediglich der über der Confessio erhöhte Abschluß des Mittelschiffs, wurde zu einem eigenen Bauteil. Er bot den Stiftsangehörigen und einer entwickelten Liturgie Raum. Der Chor schloß mit einer halbrunden Apsis, vermutlich lag seine Decke etwas niedriger als die des Hauptschiffs; drei hoch sitzende Fenster an jeder Langseite gaben Licht. Nur seine grobe Form läßt sich rekonstruieren, über Einzelheiten ist nichts bekannt, doch dürfte er weitgehend schmucklos gewesen sein.
Etliche Zeit später fügte man an die Ostseite der Seitenchöre doppelgeschossige Kapellen an. Die bis heute erhaltene nördliche zeigt noch die damalige Situation: Die beiden Seitenchöre verloren ihre bisherige Aufgabe und wurden zu Querarmen. Sie blieben durch die Doppelarkaden vom einstigen Chorquadrat getrennt, das nun eine Art Vierung wurde. Ein einfacher Bogen führte in die tiefer liegende untere Kapelle, ebenfalls eine Doppelarkade öffnet sich zur oberen Kapelle.
Wiederum später, zu unbekanntem Zeitpunkt, scheint anstelle des alten Westbaus ein Querhaus errichtet worden zu sein. Es verlängerte das Mittelschiff und hatte hohe Seitenarme. Die bis dahin immer noch schlichte Kirche erhielt damit, falls die Rekonstruktion zutrifft, einen großzügigeren Bauteil im Westen, zumal dieser den Unterbau für einen neuen, höheren Westturm bildete.
Mit dem Umbau des Chores 1220/30 bis 1237 hat auch St. Severin teil an der spätstaufischen Kölner Architektur aus den hundert Jahren zwischen 1150 und 1250. Anstelle der alten Apsis wurde ein neuer, weiter nach Osten reichender Chorschluß mit zwei seitlichen Türmen errichtet. Er ist als einziger Chor der Kölner romanischen Kirchen außen nicht halbrund, sondern polygonal gebrochen (mit fünf Seiten des Zehnecks). Er entspricht damit den älteren Querhausapsiden des Bonner Münsters. Die Seitenwände wurden erhöht, der durch Wandpfeiler in zwei Joche geteilte Chorraum und die Apsis erhielten Gewölbe
Mit diesem Ostbau, der das Langhaus deutlich überragte, holte man nun für St. Severin an architektonischem Aufwand nach, was an anderen Stiftskirchen seit längerem üblich war. Die Gliederung und die Einzelformen des Inneren erwiesen den Chor damals als modern. Im unteren Geschoß befinden sich Wandnischen, das obere ist zweischalig angelegt und hat einen Laufgang vor den hohen Fenstern. Dunkle Dreiviertelsäulen (unten) und drei gebündelte Säulen (oben) teilen die Wandachsen und tragen die Rippen des Chorgewölbes. Dieses Muster einer unten fast geschlossenen und oben durchbrochenen, "raumhaltigen" Wand mit vorgelegten plastischen Baugliedern variieren die meisten Kirchenchöre der Zeit in Köln.
Außen ist die Apsis großflächig mit Lisenen und Rundbogenfries, Blendbögen und Zwerggalerie gegliedert.