La première pierre est posée le 9 mai 1841. L’architecte Paul Eugène Lequeux (1806-1873) est choisi pour diriger le projet. La construction dure trois ans et demi et la consécration a lieu le 27 octobre 1844. De style néoclassique, en vogue dans les années 1820, l’édifice s’inspire des basiliques paléochrétiennes par son plan et son élévation. 

À l’origine, l’intérieur était entièrement décoré de peintures murales exécutées par le peintre Jean‑François Brémond (1807-1868). Au fil du temps et des événements, ces décors ont entièrement disparu. Il en subsiste un fragment (une partie de la Descente du Saint-Esprit) visible dans la tribune d’orgue. 

A la fin du XIXème siècle, l’église devient trop petite pour accueillir une population qui, depuis l’annexion de 1860, avait doublé, passant de 30 000 à 76 000 habitants. Le bâtiment se trouve d’autre part dans un état fortement dégradé à cause de l’humidité due à la proximité du canal et de la pollution liée à l’activité industrielle intense. En outre, elle a subi de nombreuses dégradations lors de la Commune, en 1871, auxquelles s’ajoutent les dommages de la Première Guerre mondiale. 

En 1928, la décision est donc prise de restaurer et d’agrandir l’église. Le projet est confié à l’architecte René Dubos (1873-1951). Les travaux s’achèveront en 1935. 

La nef est allongée de 4 travées et le chœur agrandi. Cette transformation entraîne la disparition du campanile octogonal qui s’élevait à l’emplacement de l’autel actuel. En remplacement, deux tours-clochers sont ajoutées à la façade.