Construite sur la sépulture de Denis, martyrisé par les Romains au IIIe siècle, la basilique a d’abord été un lieu de pèlerinage pour se transformer en une abbaye puissante, en lien permanent avec le pouvoir royal. D’une première chapelle édifiée sur la tombe de saint Denis vers 475, le roi Dagobert agrandit l’église et s’y fait inhumer en 639, faisant accéder cette basilique au rang de « Cimetière aus rois ». Une nouvelle église dotée d’une crypte est consacrée en 775, en présence de Charlemagne. De 1140 à 1144, l’abbé Suger édifie la façade et le chevet, joyaux du nouvel art naissant, novateur par les techniques de construction et par la lumière des vitraux. Sous le règne de Saint Louis (inhumé dans la basilique en 1271), 50 ans de reconstruction font de cet édifice un monument majeur de l’architecture gothique. A partir du XIIIe siècle, le caractère de nécropole royale est renforcé par les tombeaux sculptés dont le style et la magnificence évolueront à travers les siècles. 43 rois et 32 reines y reposèrent et 70 tombeaux et gisants sont encore visibles.
En 1966, à la création du diocèse de la Seine-Saint-Denis, la basilique devient cathédrale.