C'est le roi Robert Le Pieu qui fonde cette église et la confie à un ensemble collégial de douze chanoines. Bâtie dans un style roman, elle garde aujourd'hui sa nef, le transept, les bas-côtés et la base des clochers d'origine.
Fils d'Hugues Capet, Robert Le Pieu fait de Melun l'une de ses villes de prédilection et décèdera dans le château qu'il y possède en 1031. Durant 300 ans, la collégiale royale va bénéficier de la largesse et des dons des rois capétiens séjournant au château. L'église subit d'importants travaux dès le XIIème siècle avec l'ajout de colonnes destinées à supporter les voutes, la reconstruction du choeur en style gothique, la construction des clochers qui seront restaurés du temps de François Premier.
Après la Révolution et l'abolition des communautés religieuses, les chanoines sont dispersés. L'église, fermée en 1844, est restaurée dans les années 1850 grâce aux fonds d'une loterie. Les bombardements de la seconde guerre mondiale détruiront une grande partie des toitures et des vitraux.
C'est dans cette collégiale qu'était présenté le fameux diptyque de Melun jusqu'en 1775. Ces panneaux aujourd'hui séparés représentaient d'une part une Vierge à l'enfant, sous les traits d'Agnès Sorel, maitresse du roi Charles VII, et d'autre part Etienne Chevalier, trésorier du roi et St Etienne, son saint patron. Ces oeuvres sont conservées respectivement à Anvers et à Berlin.