Afrikanen har enligt Le Figaro kommit till Frankrike som "flykting" och arbetat på kyrkan.
Han har nyligen uttryckt ilska över att hans uppehållstillstånd varit på väg att löpa ut, skriver tidningen.
Polisen fattade snabbt misstankar om att branden i katedralen i Nantes den 18 juli var anlagd. 39-åringen hade i tidigare förhör nekat till brott men erkände till sist mordbranden tidigt i morse.
Afrikanens advokat Quentin Chabert uppger att gärningsmannen är djupt ångerfull.
Över 100 brandmän hjälptes åt att släcka branden förra helgen. Bland annat förstördes en orgel från 1620-talet och glasmålningar från 1400-talet av lågorna.
