En 1684, Louis XIV posa la première pierre d'un nouvel édifice : la paroisse Notre-Dame qui donna son nom au quartier.
Les habitants du vieux Versailles, du Parc aux Cerfs et des rues voisines, au nombre d'environ quatre mille cinquante, ne disposaient plus d'aucun lieu de culte. Notre-Dame était loin et son accès difficile, puisqu'il fallait alors traverser la place d'armes pour s'y rendre. Quand, à la fin du XVIIe siècle, cette partie de la ville prit de l'extension, les architectes chargés de dresser les plans ne manquèrent pas de prévoir une église
Par décret de Charles Gaspard Guillaume de Vintimille du Luc, archevêque de Paris, en date du 4 juin 1730, une chapelle fut érigée en paroisse sous le patronage de saint Louis.
Les habitants durent se contenter de cette chapelle pendant plusieurs années. Ils étaient pourtant de plus en plus nombreux. Enfin, vers 1740, on résolut de bâtir une véritable église.
Il y avait là une vaste place qui paraissait parfaitement convenir à cette destination. Louis XV désigna en mai 1742 Jacques Hardouin-Mansart de Sagonne, petit-fils de l'architecte de Louis XIV, au grand mécontentement d'Ange-Jacques Gabriel, architecte officiel du roi qui espérait recevoir la commande.
Une église de style rocaille fut construite
Elle fut bénie le 25 août 1754, jour de la saint Louis, et choisie comme cathédrale à la création de l'évêché de Versailles en 1802. Elle ne fut consacrée qu'en 1843.
Elle a fait l’objet d’un classement au titre des monuments historiques le 30 octobre 1906