A l'origine, une église aurait été construite vers 475, à l'initiative de sainte Geneviève, à l'emplacement de la tombe présumée de Saint Denis. Cependant les scientifiques ne sont pas sûrs de cette information.

Au cours des Ve, VIe et VIIe siècles l'église sera agrandie et le domaine étendu, notamment à l'initiative de Dagobert qui sera le premier roi à y être enterré.

Vers 750, Pépin Le Bref, à l'instigation de l'abbé Fulrad, entreprit la construction d'un bâtiment de plus gande dimension qui fut terminée par Charlemagne en 775.

De 1135 à 1144, l'abbé Suger agrandit l'église à ses deux extrémités. La nouvelle façade, surmontée de deux tours, est décorée pour la première fois d'une rose*. L'abbaye* est riche aussi le chantier est rapide, il dure à peine dix ans.

De 1231 à 1281, l'église sera reconstruite pour devenir ce qu'elle encore aujourd'hui. Seule la tour nord de l'époque a disparu depuis.

En 1837, la flèche de la tour nord est détruite par la foudre. Reconstruite par l'architecte Debret, dix ans plus tard elle menace de s'effondrer. Aussi, en 1847, Viollet-le-Duc, à qui l'on confie la restauration de la basilique, démonte la tour de 86 m pierre par pierre.