Elle a été construite par Jean-Baptiste-Antoine Lassus, élève de Henri Labrouste et collaborateur de Eugène Viollet-le-Duc au XIX siècle.
Elle remplaçait une ancienne église du XI-XII siècle, érigée le long de l'enceinte de Pierre I de Bretagne (on voit d'ailleurs les vestiges des fortifications "rue Duvoisin" qui longe l'église actuelle à l'ouest), qui fut restaurée en 1478. Mal entretenue, cette dernière se révéla trop petite pour accueillir une population croissante en raison de l'urbanisation, de sa situation en centre ville, ainsi que de la proximité des activités portuaires, tant fluviale, que maritime.
La construction de l'église actuelle s'échelonna de 1844 à 1869 (l'édification du clocher prit à lui seul les quinze dernières années des travaux), sur un terrain exigu qui l'oblige à être orientée sur un axe nord-sud, et non pas est-ouest comme le voulait la tradition chrétienne (soleil levant sur le sanctuaire). Elle est bâtie en granit de la région, ainsi qu'en pierres dures et tuffeau de Touraine.
Elle fut érigée en basilique le 28 octobre 1882.
Gravement endommagé lors du bombardement du 16 septembre 1943 (qui détruiront également une bonne partie du quartier, tel la Place Royale et la Rue du Calvaire qui sont attenantes), le chantier de reconstruction dura de 1953 à 1974.
Elle est classée monument historique par arrêté du 6 novembre 1986, car elle fut un des premiers projets néogothiques de France.
Cette basilique fait l'objet d'un classement au titre des monuments historiques depuis le 6 novembre 1986.
