Alt andet end hoveriarbeide var derimot det majestætiske nationalverk som Munch i denne travle tid fik fra haanden efter omhyggelig forberedelse: «Trondhjems Domkirke».

I vore dage, da gjenreisningen av hele det mægtige bygverk nærmer sig sin endelige avslutning, vil de fleste neppe kunne gjøre sig nogen egentlig forestilling om den elendig nedværdigede forfatning, hvori dette allikevel ogsaa dengang imponerende mindesmerke fra nationens glanstid befandt sig. Sammen med alle de øvrige nationale fortidsminder hadde imidlertid ogsaa folkehelgenens herlige metropolitan-helligdom for sin del fanget romantiker-slegtens fantasi og gjort sig gjældende med krav paa at skjænkes folket tilbake i en skikkelse som var dens oprindelige betydning værdig. Ganske som de literære mindesmerker fra middelalderen maatte ogsaa den ærværdige katedral faa godtgjøre sin ypperlighet og yde sin indsats i nationalitetens kulturgjenfødelse. Riksmyndigheterne fandt det selvsagt at opgaven var store ofre værd; der bevilgedes rikelige midler til en kyndig undersøkelse som forutsætning for en vordende gjenreisning. Opmaalingen og avbildningen av ruinen — mere var der ikke igjen — blev betrodd den unge tyskfødte arkitekt H. E. Schirmer, og i 1855 sendtes al nationalforsknings stormester til Trondhjem for at granske og redegjøre for bygverkets historie.

I flere maaneder fængsledes Munch av det vidunderlige studium. Han bodde hos sin yngre søster og hendes mand doktor Roll, og hadde i mange henseender en interessant tid. Dagen lang færdedes han høit og lavt i det brøstfældige gudshus, krøp paa alle fire opunder taket, og var mangen gang i fare for at stupe ned. Hvor han kunde naa til tittet han ind under det stygge kalkdække og skimtet de dyrebare levninger av romansk eller gotisk kunst i sin fineste blomstring som dulgtes bak det elendige hylle — hele «østskibet»s pillerækker var jo dengang erstattet med raa vægmure tildels behængt med træverks pulpiturer og tavler.

Schirmers skjønne tegninger av hvad man forefandt, sendtes til London og blev stukket i kobber i bredeste folioformat. Den omstændelige utredning som var Munchs sak, utarbeidet han saa i Kristiania, men avsluttet den først under sit ophold i Kjøbenhavn (paa veien til Rom) vaaren 1858. Under denne endelige bearbeidelse kom han til at skifte mening om et for bygningens historie væsentligt punkt — omfanget av Olav Kyrres oprindelige normanniske kirke; noget som har fremkaldt megen bitter strid mellem senere tiders domkirke-historikere. Oprindelig gik Munch ut fra at de endnu staaende normanniske vinger (tværskibet) var opført allerede under Olav Kyrre; i Kjøbenhavn blev han av danske arkæologer ført ind paa den tanke at «denne del av kirken er erkebiskop Eysteins verk», altsaa mere end to mandsaldre yngre.

I 1859 forelaa det statelige pragtverk fuldfærdigt; Munch hadde selv forfattet den engelske oversættelse av beskrivelsen. En engelsk kritiker har om denne engelske tekst uttalt: «Det er sandelig vanskeligt at opdage at den engelske oversættelse ikke er skrevet av en engelskmand. Som en prøve paa engelsk korrekt skrevet av en utlænding savner den muligens sidestykke»

Med dette fortræffelige verk i et historisk fag hvor han egentlig ikke var utdannet, har P. A. Munch ydet et stykke nationalt gjenreisningsarbeide som kan maale sig med hans ovennævnte bidrag til fornyelsen av de sproglige og literære mindesmerker fra folkets kraft-periode.