Em 1623, a pedido dos habitantes do loteamento implantado na ilha de Saint-Louis, foi construída uma capela. Com o rápido crescimento da população local, no dia 10 de dezembro de 1642 decidiu-se demolir a pequena igreja e construir uma maior, mas devido a dificuldades financeiras as fundações começaram a ser construídas somente em 1656. O projeto ficou a cargo do arquiteto François Le Vau, irmão mais velho de Louis Le Vau, famoso por ter sido um dos arquitetos do château de Versailles.
A obra da nova igreja se desdobrou em várias etapas até 1726. A primeira pedra do coro foi colocada pelo arcebispo de Paris no dia 1º de outubro de 1664. O arquiteto Le Vau morreu em 1676 e o coro foi terminado por Gabriel Le Duc, um dos arquitetos da igreja Val-de-Grâce. O altar-mor foi consagrado no dia 20 de agosto de 1679.
A igreja foi dedicada ao mítico Saint-Louis, que reinou na França como Louis IX de 1226 a 1270, e participou de duas Cruzadas para libertar Jerusalém: a Sétima Cruzada (1248-1254), e a Oitava Cruzada (1270). Ele comprou do imperador de Constantinopla, Balduíno II, a coroa de espinhos colocada em Cristo e foi canonizado em 1297 pelo papa Bonifácio VIII.
Um furacão destruiu toda a cobertura do edifício em fevereiro de 1701, matando vários fiéis. Para angariar recursos destinados a reparar os danos e concluir a obra, foi lançada uma loteria com autorização do rei. Em 1702 foi colocada a primeira pedra da nave, que foi concluída em 1723. O transepto e a cúpula ficaram prontos em 1725. A igreja foi finalmente consagrada no dia 14 de julho de 1726, setenta anos após o início da obra.
O campanário foi destruído por um raio em 1740 e acabou sendo substituído somente em 1765 pelo que se vê hoje, com 30 metros de altura e a inusitada forma de obelisco. A igreja está alinhada com as demais construções e de longe ela só é notada pelo relógio fixado na torre do campanário, que sobressai como um letreiro e avança sobre a calçada.