L'ancienne église fut démolie pendant la révolution et le terrain fut vendu en 1796 comme bien national.
La commune ne possédant pas les fonds nécessaires à la construction d'un nouveau bâtiment, lança une souscription à laquelle participèrent Louis XVIII, le comte d'Artois futur Charles X, le duc d'Angoulême et la duchesse de Berry.
Les sommes réunies permirent de faire construire une église conforme au voeu de la communauté paroissiale. Le jeune architecte, Jean-Baptiste Cicéron Lesseur, prix de Rome 1819, s'inspira du plan des basilic romaines : un croix latine terminée par un hémicycle.
Le 25 mars 1833, Notre-Dame de Vincennes reçut la bénédiction de l'archevêque de Paris. Par la suite, en 1896 puis en 1934, des travaux dotèrent l'église d'une crytet et de chapelles formant bas-côté (agrandissement de Gustave Lapostolle).
Le grand orgue construit, vers 1860, par le facteur Jean-Baptiste Stolz a été cassé Monument historique en 1986.