La chapelle axiale est la plus ancienne des chapelles ouvertes dans le pourtour de la collégiale, qui ne disposait pas de chapelles rayonnantes à l'origine. Son analyse architecturale est toutefois brouillée par les restaurations importantes du XIXe siècle. On connaît en effet l'état de la chapelle axiale vers 1840 par une lettre d'Alphonse Durand au curé de Mantes conservée dans les papiers Guilhermy. La chapelle avait été complètement transformée selon un goût rocaille, toutes les fenêtres murées, les meneaux et les roses en partie brisés de même que l’ornementation des parois, les arcatures, les pinacles « tranchés dans la pierre » pour faire place à un parement lisse. Au fond de la chapelle avait été bâtie une niche en plâtre couverte d’une demi-coupole éclairée par le haut et dont la lumière tombait sur la statue de la Vierge se détachant sur fond bleu. Durand ironise sur cette mise en scène qu’il qualifie de « jeux d’enfants ». Et il décrit toutes les restaurations accomplies : «mais le travail le plus important peut-être consistait à reproduire les arcatures du soubassement sculptées en demi-relief sur les murailles : leurs indications étaient encore écrites sur la pierre, la forme des fuseaux de colonnettes, leurs bases, les dimensions et le style des chapiteaux, l’inclinaison des frontons, le nombre et la forme des crochets furent relevés avec exactitude et sont reproduits. Aujourd’hui 21 chapiteaux feuillagés, 14 frontons décorés de crochets et de moulures forment cet ensemble de décoration […]». Probablement pour bien marquer son caractère médiéval, l'architecture Durand souhaitait y ajouter des peintures murales et une vraie statue du XIVe siècle. Mais la statue actuelle est celle offerte en 1852 par une mantaise (Marie-Henriette Billart de Charenton) ainsi que l'atteste l'inscription peinte en lettres dorées sur le bord du manteau. Quant à l’autel néogothique actuel, en pierre de Vernon, il aurait été copié sur un modèle original provenant de la chapelle saint-Hippolyte de Saint-Denis qui n'est plus en place aujourd'hui. Les vitraux ont été refaits par Jeannette Weiss-Gruber dans les années 1950.