Durant la Révolution, la Sainte Chapelle est particulièrement malmenée : les décors extérieurs aux insignes royaux, la flèche seront détruits. Les reliques sont dispersées. Seule la couronne d'épines sera sauvée et fait aujourd'hui partie du Trésor de Notre Dame.

Durant l'Empire, la chapelle haute sert de dépôt d'archives : une partie des vitraux est vendue à l'Angleterre et remplacée par des rayonnages. Au XIXe siècle, une grande campagne de Restauration est menée par Jacques Félix Duban et Jean Baptiste Lassus. Les peintures murales ainsi que le décor sculpté sont fidèlement restitués. Certains éléments parmi les plus anciens sont conservés au musée de Cluny, au musée Départemental de Rouen ou au Victorian and Albert Museum en Angleterre.

La chapelle basse est destinée aux sujets du Roi et dédiée à la Vierge. Elle est relativement sombre, éclairée juste par des petites fenêtres. Le plafond bas est supporté par des voûtes en croisée d'ogives. La chapelle est bordée de piliers qui maintiennent le poids de la chapelle haute. La polychromie des murs que l'on observe aujourd'hui date du second Empire.

La chapelle haute est destinée au Souverain et à ses proches. Le Roi y accède directement de ses appartements par une passerelle en bois. Dans son abside sont posées les précieuses reliques du Christ. La chapelle est magnifiquement conçue comme une châsse monumentale, aux murs de lumière, délicatement peinte et travaillée. L'architecture est d'une très grande finesse et les vitraux envahissent l'espace : Seuls de fins piliers, ornés de sculptures représentants les apôtres, viennent ponctuer les verrières. Ce sont les ateliers de chartres qui ont crée principalement les vitraux (les 2/3 sont encore d'origine). C'est un ensemble exemplaire tout en éclat et en luminosité dans lequel les couleurs sont magistralement pensées. Les scènes représentées sont issues de l'Ancien et du Nouveau Testament : la Genèse, l'Exode, le Livre de Josué, le Livre d'Isaïe, la Passion, la vie de Jean Baptiste... Sur le côté sud, la magnifique rose de 9m de diamètre reçoit les rayons du soleil couchant et évoque les scènes de l'Apocalypse. La voûte de la chapelle haute culmine à 21 mètres et la nef fait 33 m de long et 11m de large.

A l'extérieur de l'édifice ce sont de puissants contreforts qui maintiennent la fine architecture de verre. La flèche accentue la grande verticalité de la composition.