Cette chapelle royale est fondée à la toute fin du X siècle par Adélaïde reine de France et épouse d'Hugues Capet, après le couronnement de celui-ci dans la ville en 987. Cette chapelle est dans le même temps une collégiale puisque 12 chanoines y sont affectés. Ceux-ci sont nommés directement par le roi et ne dépendent d'aucune autorité ecclésiastique sinon du Saint-Siège. Ils sont chargés de prier pour le roi et seule la famille royale peut assister aux offices. Faisant l'objet de soins particuliers de la part du roi, la collégiale est dotée d'un grand nombre de reliques.
Elle accueille alors les dépouilles de Saint Fraimbault, déplacées de Lassay-les-Châteaux dans Comté du Maine jusque dans la chapelle. On ne sait pas précisément quand le transfert eut lieu, ce saint n'ayant eu aucun contact avec la ville de Senlis au cours de sa vie. On parle de religieux fuyant les Normands et trouvant refuge dans la ville avec les reliques, de seigneur de Senlis ayant combattu avec un comte du Maine, le transfert ayant alors lieu à la fin du IX siècle. On dit aussi que la reine elle-même fit opérer ce transfert de relique, à la fin du X siècle parce que le saint était réputé contribuer à la prospérité de la famille royale et à la tranquillité du royaume. Le corps du saint fut déposé dans une chasse d'argent, hormis le chef demeuré à Lassay.
Aucune trace de bâtiment antérieur au X siècle n'a été retrouvée au cours des fouilles archéologiques sur le site. Le bâtiment le plus ancien retrouvé date sans doute de la fin de ce siècle, ce qui correspond à la date de fondation par la reine Adélaïde. C'est alors un bâtiment rectangulaire de petite taille, situé à l'intérieur de l'ancien rempart gallo-romain de la ville.
