A quelque distance de l’église actuelle sont trouvés les vestiges d’un temple romain dédié au culte du dieu Thot/Mercure, puis ensuite à la Vierge Marie – «Notre Dame des Vignes» - avant que Robert le Pieux (10è siècle) ne l’agrandisse en l’honneur de Saint Denis qui catéchisait dans la carrière souterraine du 14bis de la rue Pierre Nicole. Des Bénédictins s’y installent, remplacés par des Carmélites venues d’Espagne. La Révolution détruit église et abbaye.
L’église actuelle est construite de 1867 à 1876.