A lo largo de los siglos, la construcción de la basílica evolucionó en torno a la tumba de San Dionisio. Los distintos monumentos erigidos en el lugar desde el siglo V hasta el XIII -la iglesia carolingia, la basílica de Suger y la vasta nave de San Luis- fueron considerados obras maestras innovadoras en su época.
Ste Geneviève, una noble parisina rica y muy influyente, probablemente encargó la primera construcción en el año 475, que tenía 20 m de largo y 9 m de ancho, y de la que se conservan los muros de los cimientos. Como muchos aristócratas querían ser enterrados cerca de Saint-Denis, la basílica se amplió en los siglos VI y VII.
En el siglo VIII, tras su coronación, Pipino el Breve decidió reconstruir la iglesia siguiendo el modelo de los edificios romanos conocidos como basílicas. La tumba y las reliquias de San Dionisio y de los dos hombres martirizados con él se conservaron en la basílica hasta el siglo XII. Hoy en día, en la cripta cavernosa de San Dionisio, que guarda la historia más antigua de la basílica, una fosa recuerda la ubicación de la tumba y las reliquias. Esta fosa ha sido el centro de todos los edificios erigidos en el lugar, desde la primera capilla (siglos IV-V) hasta la iglesia abacial del siglo XIII.
En la cripta de Saint-Denis, los apasionados del románico encontrarán uno de los raros ejemplos de este estilo en Île-de-France. En este espacio también se encuentran varios capiteles estoriados que representan, entre otras cosas, la vida de San Benito, así como capiteles foliados. Al ser tan maciza, la cripta soportó la nueva cabecera creada en 1140 por el famoso abad de Saint-Denis, Suger.