Dès le XIe siècle, il existait une chapelle du « Martyrium » qui dépendait du prieuré de Saint-Denis, surmontant une crypte associée à l’histoire de saint Denis. Le 15 août 1534, saint Ignace et ses compagnons y firent vœu de pauvreté, chasteté et obéissance ; cet événement fait figure de fondation de la Compagnie de Jésus avant la fondation officielle en 1540 par le pape Paul III. La chapelle et la crypte furent restaurées au cours du XVIIe pour les Bénédictines de Montmartre, avant d’être démolie au cours de la Révolution.

Dans les années 1850, l’abbé Le Rebours, curé de la Madeleine, et son ami architecte Tournesac retrouvèrent la trace du Martyrium de saint Denis ; si le tout disparut en 1863 à l’occasion du percement de la rue Marie-Antoinette dans l’axe de la chapelle, une parcelle de la crypte subsista cependant, rachetée en 1870 par les abbés de Ponlevoy et Carayon, qui la cédèrent en 1878 à l’archevêché, à condition d’y édifier une église avec une chapelle vouée à saint Ignace ; les sœurs Auxiliatrices des Âmes du Purgatoire, encouragées par le Cardinal Guibert, s’installèrent en 1877 dans une chapelle provisoire pour redonner vie au culte de saint Denis, puis dans une chapelle néogothique élevée en 1884-1887 par l’architecte H. Rauline.

Des vitraux réalisés par Éd. Didron ( ?) et G.-Cl. Lavergne en 1893 et déposés vers 1990 à l’occasion de la transformation de la chapelle en bibliothèque pour le collège Yvonne Le Tac, seule subsiste la rose de façade. La Ville de Paris confia la gérance de la crypte à l’Association des Amis du Martyrium créée en 1973 puis la racheta en 1974 avant de la faire protéger au titre des Monuments historiques.