Inicjatorem budowy i fundatorem był król Francji Ludwik IX Święty, który chciał wznieść pomieszczenie dla jednej z najcenniejszych relikwii świata chrześcijańskiego – korony cierniowej, którą cesarz Konstantynopola Baldwin II zastawił w Wenecji, a Ludwik Święty wykupił w 1239 r. Tam też znalazły się inne relikwie związane bezpośrednio z ukrzyżowaniem Chrystusa, w tym gwóźdź oraz fragment Krzyża Świętego. Cena nabycia relikwii była niemalże trzykrotnie wyższa od kosztów budowy Sainte-Chapelle.

Kaplica stanowiła część dawnego zamku-rezydencji królewskiej Kapetyngów. Została zbudowana w latach 1241–1248 prawdopodobnie przez Pierre'a Montreuila. Znany jest z licznych przekazów ikonograficznych, w tym z miniatury z Bardzo bogatych godzinek księcia de Berry autorstwa Braci Limbourg.

W średniowieczu kaplica pełniła funkcję wielkiego repozytorium relikwii; oprócz relikwii Chrystusowych, dla których zastrzeżono górną kondygnację, w dolnej kaplicy znalazły się relikwiarze na relikwie świętych patronów Francji, m.in. świętych: Marcina, Ludwika z Tuluzy, Seweryna. Dwukondygnacyjny podział ten odzwierciedla się również w wyglądzie głównej, zachodniej fasady. W 1630 r. część wnętrza zniszczył pożar. W czasie rewolucji francuskiej kaplicę zamieniono na magazyn mąki. Został zniszczony przede wszystkim zespół relikwiarzy, w tym główny, złoty relikwiarz mieszczący pamiątki po męce i śmierci Chrystusa. Tenże relikwiarz został przetopiony.

Relikwie i zbiory ze skarbca trafiły m.in. do skarbca katedry Notre-Dame. Część rozproszonych dzieł przekazano do Luwru, Musée de Cluny i Biblioteki Narodowej. Po zniszczeniach rewolucyjnych rekonstrukcję wykonano w latach 1838–67, pod kierunkiem m.in. Feliksa Dubana i Eugène'a Viollet-le-Duca. W latach 1853–57 pod kierunkiem Jean-Baptiste Lassusa wybudowano obecną 33-metrową wieżyczkę na sygnaturkę wieńczącą dach kaplicy. Zabiegi konserwacyjne przywróciły kaplicy pierwotny gotycki wygląd usuwając m.in. elementy wyposażenia z okresu baroku.