L'église, à deux niveaux, est consacrée le 26 avril 1248. On peut supposer qu'elle était achevée à cette date. On ignore en revanche en quelle année a débuté la construction. On ne peut pas non plus affirmer avec certitude le nom de l'architecte qui dirigea le chantier. Il s'agit de Pierre de Montreuil ou de Jean de Chelles.

Mais pour l'époque, il fit l'effet d'une véritable prouesse architecturale

La chapelle basse servait au culte paroissial. Les reliques étaient gardées dans la chapelle haute. Celle-ci était reliée à la aula (grande salle de conseil), cette disposition étant peut-être inspirée de celle d'Aix-la-Chapelle. D'autres éléments sont venus s'ajouter à l'édifice. Une annexe, construite sur le flanc nord, a été détruite en 1777. Sur le flanc sud, on trouva par la suite un escalier qui permettait au public d'accéder à la partie haute. Dès lors, un jubé fut construit pour isoler religieux et personnes de qualité du public.

La Sainte Chapelle subit plusieurs incendies (1630, 1777) et une inondation. La révolution ne l'a pas épargnée. Tous les décors extérieurs ont été détruits ainsi que la flèche, dont les fleurs de lys n'incarnaient que trop manifestement la royauté. Sous l'Empire, la chapelle haute sert de dépôt d'archives. Cet usage l'endommage fortement. Les verrières sont dispersées.

Des restaurations sont entreprises dans la seconde moitié du XIXe siècle. Trois architectes se succèdent à la tête du chantier : Félix Duban (de 1836 à 1848), Jean-Baptiste Lassus (de 1848 à 1857) et Emile Boeswillwald. Viollet-le-Duc vient quelquefois renforcer le groupe, mais il ne prend jamais la tête des restaurations. On commence par détruire les vestiges de l'escalier sud (1849) puis par remettre en place une flèche (1853). En 1857, la décoration intérieure en presque entièrement achevée.

Le débat concernant les choix de restauration est rendu public. Il est fait appel à de nombreux médiévistes. Contrairement aux principes défendus par Viollet-le-Duc, on choisit de tenir compte de toutes les étapes de la vie du monument et pas seulement de l'état considéré comme primitif.

Plusieurs choix s'avèrent difficiles. C'est le cas pour la flèche. On ignore s'il y avait une flèche dès l'origine. La seule flèche bien connue est celle qui a été abattue à la révolution. Elle datait de 1630. Duban et Viollet-le-Duc dessinent des flèches du XIIIe siècle, mais Lassus préfère reprendre celle de 1383. L'œuvre qu'il réalise s'approche cependant plus de la flèche de 1460. L'autre grand sujet de débat est la décoration intérieure. Une longue investigation est menée pour rechercher les fragments antérieurs. Beaucoup d'éléments utilisés pour restaurer la décoration sont des innovations. Il n'est pas du tout certain, par exemple, qu'il y ait eu à l'origine un décor de lys sur fond bleu et de châteaux castillans sur fond rouge.

D'autres parties de la restauration respectent plus les dispositions d'origine (car les restaurateurs disposaient de plus d'informations les concernant). C'est le cas des verrières. Leur programme iconographique est retracé par François de Guilhermy, qui utilise pour cela des bibles moralisées du XIIIe siècle. La réalisation des panneaux est confiée, entre autres, à Louis Steinheil et Antoine Lusson. Pour les sculptures, à l'intérieur comme à l'extérieur, il est fait appel à l'atelier de Geoffroy Dechaume, spécialisé dans l'art médiéval.