La basílica de Saint-Denis fue construida entre los años 1137 y 1281, en el lugar en el que está enterrado San Dionisio, el santo patrón de París.

Él es quien introdujo el cristianismo en la ciudad y por eso murió en Montmartre en el año 250 a manos de los romanos de una manera muy al gusto francés: decapitado. Se cuenta que tras ser decapitado caminó con la cabeza bajo el brazo hasta el lugar en el que más tarde se alzaría la basílica.

Ya desde los tiempos del Bajo Imperio Romano existía un cementerio en el lugar. En el siglo IV se levantó un mausoleo en el mismo lugar que hoy ocupa el altar mayor. Un siglo después, Santa Genoveva adquirió las tierras que rodeaban el lugar e hizo construir una iglesia. Esta iglesia fue ampliada dos veces durante la época merovingia. Y en el año 630 fue cuando se trasladaron a la iglesia los restos de San Dionisio para darles sepultura.

La iglesia siguió sufriendo transformaciones. Pero en 1136 el abad Suger la derribó y en su lugar construyó una iglesia de estructura gótica. Durante esta época la iglesia vivió su mayor periodo de esplendor. Fue entonces cuando Saint-Denis se convirtió en el lugar de enterramiento de los reyes de Francia. A la Basílica de Saint-Denis también acudían los reyes a rezar y a pedir bendiciones antes de partir a las guerras o a las cruzadas.

 Saint-Denis también sufrió las consecuencias de la Revolución Francesa como muchos otros edificios religiosos. Las tumbas reales fueron profanadas y los restos de los reyes se arrojaron en una gran fosa excavada en el exterior de la iglesia, los mausoleos que lograron conservarse integran actualmente una colección de arte funerario. No fue hasta 1816 que las tumbas reales fueron reconstruidas y un año despues los restos mortales de los reyes devueltos.

Cuando se redactó la lista de Monumentos Históricos de Francia en 1840, la Basílica de Saint-Denis era la primera que aparecía en la lista. Fue en esa época cuando el arquitecto Eugène Violet-le-Duc se hizo cargo de los trabajos de restauración de la iglesia, salvándola de la ruina. Los estragos del tiempo habían sido muy crueles con Saint-Denis, que amenazaba con caerse de un momento a otro. 

Saint-Denis tiene el estatuto de catedral desde 1966, pero sigue siendo una basílica.

Actualmente está abierta al público y está dividida en dos espacios. En uno de ellos se encuentra la nave y los laterales que sirven de iglesia y es donde se celebran las ceremonias religiosas. Y en el otro están el transepto, el coro, el deambulatorio con vidrieras del siglo 12 y la cripta, donde está el museo en el que se pueden ver las tumbas de los reyes de Francia. Son destacables los mausoleos de Luis XII, de Ana de Bretaña, de Francisco I y de Enrique II. También se pueden ver el de Catalina de Médicis o el de María Antonieta. Su colección de esculturas funerarias es una de las más importantes de Europa.