L'église Notre-Dame est mentionnée dès 826 dans un diplôme de Louis le Pieux, en compagnie d'une autre église dédiée à Saint-Etienne, aujourd'hui disparue. Elle pourrait constituer le seul édifice conservé d'un éphémère groupe épiscopal du 6e siècle, occupant la partie orientale de l'île de Melun. Robert le Pieux (996-1031) y installe un collège de chanoines et fait reconstruire l'édifice : de cette campagne du 11e siècle subsistent aujourd'hui la nef et le transept (fortement repris au 19e siècle). Entre 1161 et 1198, le choeur et l'abside sont reconstruits, la nef et le transept sont couverts de voûtes d'ogives. Des chapelles latérales sont ajoutées le long de la nef à partir de la fin du 13e siècle, puis détruites au 18e siècle (1773-1775). La façade occidentale et la tour sud sont remaniées aux 16e et 17e siècles. L'édifice fait l'objet d'importantes restaurations au 19e siècle, sous la direction d'Eugène Millet (1853-1859).