L'édifice fut longtemps considéré comme une église royale grâce à sa proximité avec le haut lieu de la monarchie, le Louvre.
Louis XIV y fut baptisé, de même que Richelieu, Molière et Madame de Pompadour. Colbert y est inhumé (1683) ainsi que Scaramouche, Rameau, François de Chevert, l'amiral de Tourville, Voiture, Vaugelas, Marivaux; les obsèques de La Fontaine, de Mirabeau et de la mère de Mozart y furent organisées. Sully et Pomponne s'y sont mariés.
Le tableauTobie et l’ange (1575), du peintre florentin Santi di Tito (1536-1603) se trouve, pourtour du chœur, côté gauche, dans la troisième chapelle.
Avec près de 8000 tuyaux, il est le plus grand orgue de France, juste devant les instruments historiques de Notre-Dame-de-Paris (107 jeux, 7800 tuyaux) et de Saint-Sulpice (102 jeux pour environ 7500 tuyaux).
Depuis 1989, chacune de ses deux consoles est composée de :
5 claviers de 61 notes et un pédalier de 32 notes
101 jeux, 147 rangs, 8000 tuyaux
St Eustache possède un orgue depuis le XVIe siècle, mais on ne dispose que de très peu d'informations sur sa composition d'origine. L'orgue de facture classique de Saint Germain des Près lui fut ensuite attribué (XVIIIe siècle ?). Remanié au début du XIXe siècle par les facteurs Daublaine et Callinet, il est détruit par le feu en 1844, peu de temps après son inauguration. Reconstruit en 1854 par Barker (3 claviers), reconstruit à nouveau après la Commune puis modifié par l'organiste Joseph Bonnet dans les années 20 et 30 (l'orgue passe à 4 claviers).
Les grandes orgues de Saint-Eustache ont été reconstruites presque intégralement par le facteur hollandais Van Den Heuvel en 1989, à l'exception du buffet qui est d'origine et de quelques jeux dont les grands tuyaux de la Montre qui datent de 1854. Les grandes orgues de Saint-Eustache font partie des plus prestigieuses du monde actuellement, en grande partie grâce à l'aura exceptionnelle de son titulaire depuis 1963 : Jean Guillou. Elles firent même l'objet d'une visite exceptionnelle de la reine Elisabeth II d'Angleterre, après leur inauguration par M. Jacques Chirac, alors Maire de Paris.
L'orgue, conçu par Jean-Louis Coignet, expert de la Ville de Paris, et Jean Guillou possède deux consoles : une, à traction mécanique avec machines Barker, qui se trouve en tribune et une autre, à traction électrique, destinée aux concerts, qui se trouve dans la nef.
Parmi les caractéristiques rares de cet instrument, on remarque :
le grand plein-jeu basé sur le 32 pieds au Grand Orgue,
les séries harmoniques allant jusqu'à la neuvième : en 32 pieds à la Pédale (Théorbe : 4 4/7, 3 5/9), en 16 pieds au Grand-Chœur, en 8 pieds au Solo (Harmoniques : 1 1/3, 1 1/7, 8/9), et jusqu'à la septième, en 8 pieds, au Positif,
la Batterie d'anches basée sur le 32 pieds au récit,
l'ensemble de Tubas 16, 8, 4, coudés vers la nef, au Grand-Chœur,
les cinq rangs de chamades au Solo, alimentés par de l'air à pressions croissantes (6 pressions différentes).
On note aussi, parmi les couleurs exceptionnelles, la série de flûtes harmoniques (8, 4, 2 2/3, 2, 1 3/5, 1) au Solo, qui est une innovation de Jean Guillou déjà introduite par lui-même avec grand succès dans les orgues du Chant d'Oiseau à Bruxelles et de la Tonhalle à Zürich.
C'est également Jean Guillou qui a eu l'idée d'ajouter la Sesquialtera au Grand-Orgue : ce jeu apporte de nombreuses possibilités à la fois solistiques et en combinaison avec les mixtures.
La Contre-Bombarde 32 mérite une mention particulière. Ce jeu n'était pas prévu dans le devis, mais, considérant que le Trombone 32 existant (avec ses résonateurs en bois de taille assez modeste) n'était pas suffisant pour un orgue de cette ampleur, les frères Van den Heuvel ont offert cette Contre-Bombarde 32 à la ville de Paris. L'orgue de Saint-Eustache se trouve ainsi être le seul orgue de France disposant de trois jeux d'anches de 32 pieds. Une plaque de laiton a été placée en 2007, en hommage au jour et à la rencontre extraordinaire des initiales de Saint Eustache.
Tirasses Positif, GO, Récit en 8' et 4', GC en 8' et 4', Solo.
Tremblants Positif, Récit, Solo.
20 combinaisons générales et 3 par plan sonore, le tout multiplié par 32 mémoires. Pédale de crescendo avec 2 programmes : Tutti et Crescendo orchestral.