L’église est construite sur l'ancien emplacement de l'ancienne église abbatiale de l'abbaye mérovingienne pour femmes de Logium. Trois grandes périodes de construction (XIe siècle, 1382, 1426) sont à l'origine du bâtiment actuel. À la fin du XIVe siècle et au début du XVe siècle, l'église est décrite comme relativement petite, âgée et « moulte obscure »avec vraisemblablement des parties romanes. Entre 1426 et 1484, l'architecte Guillaume Letellier la reconstruit entièrement dans un style gothique flamboyant. Le clocher et la flèche sont terminés vers 1530. Le roi Henri IV aurait dit qu'elle était l'une des plus belles églises de France : « C'est la plus belle chapelle de mon royaume ». En effet, ce manifeste du style gothique flamboyant et des débuts de la Renaissance ne comporte pas de transept, au même titre que Saint-Maclou de Rouen, contemporaine de cette église, et qui justifie peut-être ce qualificatif royal de « chapelle ».