Placée sur le flanc sud de la collégiale, cette chapelle double dédiée aux saints Paul et Louis, a été fondée par la reine Marie de Brabant, veuve de Philippe III le Hardi, en 1312. La charte de fondation a été scellée le 1er avril 1313. Le service religieux doit être fait en mémoire de feu Philippe III, de la reine Jeanne de Navarre, sa belle-fille morte en 1205 et de ses enfants contre une rente annuelle de 64 livres à prélever sur les revenus du pont. Les sources abondantes remettent donc en cause l'attribution de la construction à Charles le Mauvais, roi de Navarre qui a été émise par la tradition historique de Mantes. La chapelle, comme le reste de la collégiale, était en mauvais état et a été restaurée au XIXe siècle. En 1805 sa couverture de dalles plates fut remplacée par une toiture sur charpente ce qui a nécessité la destruction des gâbles, des pinacles et de la balustrade qui ornaient les parties hautes. L'architecte des Monuments historiques Simil les a restaurés à l'identique (selon la gravure de Millin) en 1901-1904.