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Ce n'était qu'une succursale de la paroisse Notre-Dame. Elle était desservie par deux chapelains, prêtres de la Mission, comme ceux de l'église mère. À mesure que le quartier se développait, il fallut songer à lui donner de l'autonomie religieuse. Par décret de Charles Gaspard Guillaume de Vintimille du Luc, archevêque de Paris, en date du 4 juin 1730, la 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. Mais on ne voulut pas changer les habitudes que les paroissiens avaient prises. Il fut donc décidé que le monument serait construit à côté de la chapelle, et presque en vis-à-vis. Il y avait là une vaste place qui paraissait parfaitement convenir à cette destination.

Les fondations furent entamées en juin 1742. Les entrepreneurs Letellier et Rondel se heurtèrent à un sol spongieux qui nécessita l'établissement de solides fondations à l'aide d'un vaste radier de pierres de taille couvrant toute la surface de l'église. La présence de pilotis est une légende.

En 1764, l'architecte Louis-François Trouard éleva, au-delà du bras gauche du transept, une chapelle, dite « du charnier », parce qu'elle était destinée à recevoir les corps des défunts décédés au château. Elle prit ensuite le nom de chapelle de la Providence. De superbes reliefs furent réalisés par le sculpteur du roi Augustin Pajou, figurant les quatre vertus cardinales à l'extérieur et les quatre docteurs de l'église en médaillons à l'intérieur. Pajou devait ensuite travailler à l'Opéra royal de Versailles.

L'église Saint-Louis subit peu de transformations jusqu'à la Révolution, la paroisse royale restant l'église Notre-Dame. Cependant, le 4 mai 1789, quand s'ouvrirent les États généraux de 1789, ce fut à Saint-Louis que se rendit la procession solennelle partie de Notre-Dame, et c'est de la chaire de l'église qu'Anne-Louis-Henri de La Fare, évêque de Nancy, dénonça les abus de la Cour. Plusieurs séances des États généraux se tinrent également à Saint-Louis au cours du mois de juin 1789. Le 22, le serment du Jeu de paume y fut renouvelé.

En 1790, Versailles devint siège d'un évêché. Le premier évêque constitutionnel, Jean-Julien Avoine, choisit Notre-Dame pour cathédrale. Par la suite, l'église Saint-Louis fut fermée et la plupart des objets de culte ayant été confisqués, elle fut transformée en temple de l'Abondance. On lui en figura les attributs sur la façade, avec un laboureur peint sur le frontispice.

En 1843, Louis Blanquart de Bailleul consacra la cathédrale qui n’avait été que bénie lors de son inauguration le 25 août 1754, jour de la saint Louis.

Elle a fait l’objet d’un classement au titre des monuments historiques le 30 octobre 1906