Après la Révocation de l’édit de Nantes, le clergé demanda une église qui soit assez grande pour accueillir tous les « nouveaux convertis ». Le roi Louis XIV accéda à ce désir et chargea un de ses meilleurs architectes, François d’Orbay, de concevoir ce monument qui devait aussi manifester la victoire de l’Église sur l’hérésie. La première pierre fut posée en 1692. François d’Orbay mourut en 1695 et un autre architecte réputé, Jules Hardouin Mansart, prit sa suite… Un troisième architecte, Robert de Cotte, fut désigné. Il mourut en 1735 avant la consécration de l’Église, qui n’eut lieu qu’en 1739, par suite de quelques malfaçons.

La façade de pierres blanches, tout à fait insolite à Montauban, témoigne d’un grand luxe car il fallait chercher la pierre à une trentaine de kilomètres.

Le couronnement des tours a été modifié en 1813 : les toitures en bulbes ont été remplacées par des terrasses entourées de balustrades.