L'ensemble a été édifié par l'architecte italien Giovanni Betto, qui est également le premier architecte de la Cathédrale de Nancy. La construction commença en 1666 tandis que la chapelle fut bâtie de 1685 à 1687 dans un style baroque.
La plupart des matériaux de construction sont issus du démantèlement des fortifications de Nancy sur ordre de Louis XIV, mais probablement aussi du château de Custines (traces de sculptures sous les marches de l'escalier monumental menant à la chapelle).
L'ensemble est sans doute complet, et l'un des plus classiques qui soient dans son plan et son exécution. Le bâtiment principal, triomphal mais sobre, fait face à la route et à la Meurthe, où les chartreux avaient des droits de pêche. La chapelle marque l'axe central ; son fronton porte une Vierge à l'Enfant en moyen-relief. Les deux ailes latérales forment un léger retour, pour accentuer, avec une grande économie de moyens, un effet théâtral.
Masqué par cette façade, le petit cloître servant de cimetière occupe traditionnellement le flanc sud de la chapelle. Au-delà, le grand cloître forme un vaste carré planté en verger, autour duquel sont disposées les maisons (ou ermitages) des chartreux.
La totalité des bâtiments est occupée par le lycée, mais une cellule-témoin a été reconstituée ; elle est ouverte à la visite lors des Journées patrimoine en septembre. Le reste des bâtiments est visible lors des Portes ouvertes du lycée.
