La chapelle actuelle, bâtie par François Ier, se trouve à l’emplacement de la chapelle d’un couvent fondé par saint Louis. Cependant, une nouvelle voûte et son décor furent confiés

en 1605 par Henri IV et son fils Louis XIII au peintre de la seconde Ecole de Fontainebleau, Martin Fréminet, tout  juste revenu de Rome et ayant encore en mémoire la chapelle Sixtine de Michel-Ange. On peut d’ailleurs retrouver un grand écu aux armes d’Henri IV

à l’extrémité de la voûte. Lors d’une cérémonie ordinaire, on peut deviner la place des souverains sur le balcon qui domine l’espace. C’est dans cette chapelle que fut célébré

le mariage de Louis XV avec Marie Leczinska en septembre 1725, mais également celui

de Ferdinand-Philippe d’Orléans, fils aîné de Louis-Philippe, avec Marie-Hélène de Mecklembourg en 1837. Napoléon III y fut baptisé.