La synagogue de Neuilly-sur-Seine, située au 12 rue Ancelle, qui date de 1878, est la plus vieille synagogue de la banlieue parisienne.
Le premier bâtiment significatif de la présence juive à Neuilly est la « Maison de refuge pour l'enfance israélite », un foyer créé en 1866 par Coralie Cahen qui accueille aussi des prostituées et leurs enfants. D'abord situé à Romainville puis à Neuilly, boulevard Eugène (aujourd'hui, boulevard Victor Hugo), il est déplacé en 1883 au 19, boulevard de la Saussaye, où il existera jusque dans les années 1980. Plus connu sous le nom abrégé de « Refuge », il abrita de nombreux jeunes juifs isolés, sans famille, après la seconde guerre mondiale puis après l'indépendance de l'Algérie.
Dès 1869, il existe une communauté installée dans un appartement au 15 de la rue Louis-Philippe. Le président, Godchaux Oulry, originaire de Lorraine, parvient à réunir les fonds nécessaires à la construction d'une synagogue. L'architecte en est Émile Uhlmann prix de Rome, qui choisit un style néo-byzantin. L'inauguration peut avoir lieu en 1878.
Le premier rabbin de Neuilly, en 1888, est Simon Debré, le père du professeur Robert Debré et le grand-père du premier ministre du général de Gaulle, Michel Debré.
La communauté se développe jusqu'à la Seconde Guerre mondiale et en 1937 son agrandissement fut confié aux architectes Germain Debré et Hirsch.
Comme pour toutes les communautés juives, la guerre est désastreuse. Le rabbin Robert Meyers et son épouse née Suzanne Bauer sont déportés en 1943 à Auschwitz. Une plaque à l'extérieur de la synagogue commémore toutes les déportations de juifs neuilléens et une autre, l'action courageuse des Justes parmi les Nations de Neuilly. Rue Édouard Nortier, une autre plaque rappelle les noms des 17 enfants âgés de 3 à 11 ans, abrités dans une ancienne clinique tenue par des Sœurs, raflés le 25 juillet 1944, déportés et assassinés par les Nazis.
La renaissance après la guerre est difficile. Il faut citer les efforts du rabbin David Feuerwerker (il est le rabbin de 1946 à 1948) pour créer un cercle d'études et un cercle de jeunes. Son successeur, Edouard Gourévitch, voit arriver en 1962 des rapatriés d'Algérie qui redonnent dynamisme à la communauté.
À partir de 1975, le grand-rabbin Jérôme Cahen et son épouse relancent l'activité communautaire en se tournant résolument vers la jeunesse. Le nombre de fidèles augmente considérablement.
En 1978, le centenaire de la synagogue est célébré en présence des autorités et de l'ancien premier ministre Michel Debré.
Le rabbin Alexis Blum succède à Jérôme Cahen, décédé en 1988.
Après la fondation en 1999 de l'Université Juive Européenne fondée par le grand rabbin René-Samuel Sirat et le rabbin Claude Sultan au 11, rue Ancelle, le centre culturel Jérôme Cahen est créé dans l'immeuble mitoyen de la synagogue en 2004.
En 2009, le rabbin Michaël Azoulay, membre du Comité consultatif national d'éthique depuis 2008, succède au grand rabbin Alexis Blum.